KR102569106B1 - 배터리 팩 및 배터리 팩을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

배터리 팩은 하나 이상의 전지들(30), 덕트(50)와 하나 이상의 전지들(30) 중 적어도 하나 사이에서 열이 교환될 수 있도록 하나 이상의 전지들(30) 중 적어도 하나의 표면에 근접하게 포지셔닝된 가요성 덕트(50) 및 덕트(50)의 적어도 일부를 적어도 부분적으로 둘러싸는 포팅 수단을 포함한다. 배터리 팩을 제조하는 방법은 하나 이상의 전지들(30)을 제공하는 단계, 덕트(50)와 하나 이상의 전지들(30) 중 적어도 하나 사이에서 열이 교환될 수 있도록 하나 이상의 전지들(30) 중 적어도 하나의 표면에 근접하게 가요성 덕트(50)를 포지셔닝하는 단계, 유체를 덕트(50)에 삽입하는 단계 및 포팅 수단으로 덕트(50)의 적어도 일부를 적어도 부분적으로 둘러싸는 단계를 포함한다. 상기 포팅 수단은 확장가능한 폼일 수 있다.

Description

배터리 팩 및 배터리 팩을 제조하는 방법
본 발명은 배터리 팩 및 그 제조 방법, 특히 열 관리 시스템을 갖는 차량용 배터리 팩에 관한 것이다.
차세대 배터리 팩, 특히 차량 애플리케이션들용 리튬-이온 배터리 팩들의 핵심 요건들은 중량측정 및 체적측정 에너지 밀도 향상, 사이클 수명 향상 및 고속-충전이다. 중량측정 및 체적측정 에너지 밀도들은 전지 전기화학 및 화학 공학의 발전을 통해 크게 향상된다. 그러나, 배터리 팩의 기계적 설계의 향상들은 또한 팩의 전체 무게와 크기에 상당한 영향을 미친다. 배터리 팩 기계 설계는 주로 열 관리 시스템을 통해 사이클 수명과 고속-충전 능력에 영향을 미친다. 열 관리 시스템은 궁극적으로 감소된 사이클 수명을 초래할 차동 전지 노화를 방지하기 위해 팩 내 온도차들을 최소화하는 데 사용될 수 있다. 또한, 전지 수명을 최대화하기 위해 배터리 팩 전체에서 25℃의 비교적 일정한 온도를 유지하는 것이 중요하다. 일정한 온도 유지는 팩 내부의 높은 열 발생으로 인해 고속-충전 동안 유지하기가 특히 어렵다.
최신 배터리 팩들의 열 관리 시스템들은 통상적으로 덕트(duct) 형태의 열교환기를 포함한다. 덕트는 냉각제 재료가 팩을 통과하여 개별 전지들을 냉각하거나 데울 수 있는 도관을 제공한다. 가요성 덕트는 가볍고 가압 또는 팽창된 상태에서 전지들의 모양과 밀접하게 일치할 수 있기 때문에 특히 유용하다. 그러나, 가요성 덕트들의 사용의 중요한 단점은 파열되기 쉽다는 것이다: 덕트 내부에 압력의 증가는 덕트 벽(들)이 늘어나고 얇아지게 하여, 벽들의 강도가 감소하고 잠재적으로 팩 내의 냉각제의 누출을 유도한다. 파열 위험은 덕트의 벽 두께를 증가시킴으로써 완화될 수 있지만, 그렇게 하면 또한 덕트의 열 저항이 증가하고 그러므로 열 관리 시스템의 효율성을 증가시킨다.
최신 배터리 팩들의 추가 문제는 불이 붙는 성향이다. 전지들이 높은 온도들에 노출되고, 단락이 생기고/생기거나 전지들의 내부 구조가 손상될 때 배터리 팩 내의 화재 위험이 증가된다. 예를 들어, 전지 내의 리튬 도금 및/또는 결정 형성은 내부 전지 유전체 멤브레인(membrane)들에 구멍을 뚫어, 잠재적으로 치명적인 단락 및 전지 폭발을 초래할 수 있다. 이러한 이벤트는 팩 전체에 퍼져 모든 전지들이 불이 붙을 수 있게 한다. 배터리 팩 내의 국부적인 영역에서 과도한 열의 확산을 중단시키나 감소시키는 방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 위에서 서술된 문제들을 제거하거나 완화하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 덕트가 감소된 파열 위험을 갖는 열 관리 시스템에 사용하기 위한 얇고 가요적인 덕트를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 본질적으로 난연성인 배터리 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 하나 이상의 전지들과 양호한 열 접촉 상태에 있는 열 관리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양상에 따라, 하나 이상의 전지들; 덕트와 하나 이상의 전지들 중 적어도 하나 사이에서 열이 교환될 수 있도록 하나 이상의 전지들 중 적어도 하나의 표면에 근접하게 포지셔닝된 가요성 덕트; 및 덕트의 적어도 일부에 대한 지지부로서 작용하도록 적응된 포팅 수단(potting means)을 포함한다.
유리하게, 가요성 덕트는 가요 성 덕트가 과도한 팽창 및/또는 파열을 방지하도록 작용하는 포팅 수단에 의해 강화되면서 팩 내의 전지들의 표면 모양에 밀접하게 일치할 수 있다.
선택적으로 배터리 팩은 복수의 덕트들을 포함한다.
바람직하게 하나 이상의 덕트들은 구불구불한 덕트들이다.
선택적으로 하나 이상의 덕트들은 매니폴드 덕트들이다.
선택적으로 배터리 팩은 하나 이상의 실질적으로 직선형 덕트들을 포함한다.
선택적으로 배터리 팩은 하나 이상의 병렬 덕트들을 포함한다.
바람직하게 덕트 또는 각각의 덕트는 하나 이상의 실질적으로 직선 섹션들을 포함한다.
바람직하게 덕트 또는 각각의 덕트는 냉각제 유체를 운반하도록 구성된다.
바람직하게 덕트 또는 각각의 덕트는 물-글리콜 혼합물을 운반하도록 구성된다.
바람직하게 덕트 또는 각각의 덕트는 냉각제 유체에 의해 팽창된 상태로 가압된다.
바람직하게 팽창된 상태에 있을 때, 덕트 또는 각각의 덕트는 하나 이상의 전지들의 표면과 일치한다. 유리하게, 그 모양이 전지들의 모양과 일치하도록 가요성 덕트를 팽창시키는 것은, 냉각제 유체가 냉각제 유체와 전지들 사이에 열 에너지를 보다 효율적으로 전달할 수 있도록, 덕트 또는 각각의 덕트와 전지들 사이의 열 접촉을 향상시킨다.
바람직하게 덕트 또는 각각의 덕트의 모양은 하나 이상의 전지들의 표면의 적어도 일부와 부분적으로 일치한다.
바람직하게 전지들은 원통형 전지들이다. 유리하게, 가요성 덕트는 덕트가 원통형 전지들의 물결모양 표면에 확장되고 일치할 수 있으므로 원통형 전지들과 함께 사용하기에 매우 적합하고, 이는 전지들과 덕트 사이의 양호한 열 접촉을 보장한다.
바람직하게 배터리 팩은 전지들의 어레이를 포함한다.
바람직하게 전지들의 어레이는 밀집된 구성이다.
바람직하게 전지들 사이의 최소 분리간격은 0.5-5 mm이다.
바람직하게 전지들 사이의 최소 분리간격은 2 mm이다.
바람직하게 가요성 덕트는 하나 이상의 전지들에 인접하게 포지셔닝된다.
바람직하게 가요성 덕트는 전지들 사이에 포지셔닝된다.
바람직하게 가요성 덕트는 하나 이상의 전지들의 측면(들)과 직접 접촉한다.
바람직하게 가요성 덕트는 인터페이스 영역 또는 인터페이스 재료를 통해 하나 이상의 전지의 측면(들)과 간접 접촉한다.
바람직하게 가요성 덕트는 전지(들)를 둘러싸는 케이싱 외피를 통해 하나 이상의 전지들의 측면(들)과 간접 접촉한다.
바람직하게 가요성 덕트는 전도성 페이스트(paste) 또는 접착제와 같은 열 전도성 충전제 재료를 통해 하나 이상의 전지들의 측면(들)과 간접 접촉한다.
이상적으로 강성 덕트는 폴리머-기반 재료로 형성된다.
바람직하게 가요성 덕트는 팽창가능한 플라스틱 재료로 형성된다. 팽창가능한 플라스틱 재료는 본질적으로 전기 절연성이고, 가볍고 글리콜 물 혼합물과 같은 냉각제와 부식되거나 화학적으로 상호작용하지 않기 때문에 유리하다.
이상적으로 팽창가능한 플라스틱 재료는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)이다.
이상적으로 팽창가능한 플라스틱 재료는 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)이다.
이상적으로 팽창가능한 플라스틱 재료는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)이다.
이상적으로 팽창가능한 플라스틱 재료는 폴리에스테르이다.
이상적으로 가요성 덕트의 벽들은 10 μm 내지 150 μm 두께이다.
유리하게, 팽창가능한 플라스틱 재료는 매우 얇게 만들어져서 덕트 또는 덕트와 전지들 사이 또는 각각의 덕트와 전지들 사이의 우수한 열 전달 특성들을 허용한다.
바람직하게 가요성 덕트는 단일-루멘 덕트이다.
선택적으로 가요성 덕트는 다중-루멘 덕트이다. 다중-루멘 덕트는, 단일-루멘 덕트가 균일한 온도 분포를 촉진할 수 없는 대형 배터리 팩들에 사용될 수 있다.
이상적으로 다중-루멘 덕트는 냉각제 유체가 유동할 수 있는 2 개 이상의 루멘들을 포함한다.
바람직하게 배터리 팩은 배터리 팩 하우징을 포함한다.
바람직하게 배터리 팩은 하부 크램쉘(clamshell)을 포함한다.
바람직하게 배터리 팩은 상부 크램쉘을 포함한다.
바람직하게 하부 크램쉘 및/또는 상부 크램쉘은 전지(들)를 수용하고 보유하기 위한 하나 이상의 리세스들을 포함한다.
바람직하게 하부 크램쉘 및/또는 상부 크램쉘은 전지(들)에 대한 전기 연결들을 수용하기 위한 하나 이상의 애퍼처(aperture)들을 포함한다.
바람직하게 하나 이상의 버스바들은 상부 크램쉘 및/또는 하부 크램쉘에 제공된다.
바람직하게 상부 크램쉘 및/또는 하부 크램쉘은 전지(들)를 버스바(들)에 전기적으로 연결하기 위한 하나 이상의 애퍼처들을 포함한다.
바람직하게 배터리 팩은 하나 이상의 측벽들을 포함한다.
바람직하게 하나 이상의 측벽들은 하부 크램쉘에 부착된다.
바람직하게 하나 이상의 측벽들은 상부 크램쉘에 부착된다.
바람직하게 배터리 팩은 유체 유입 수단을 포함한다.
바람직하게 유체 유입 수단은 덕트 또는 각각의 덕트로의 유체 입구를 제공한다.
바람직하게 유체 유입 수단은 유입 노즐을 포함한다.
바람직하게 배터리 팩은 유체 배출 수단을 포함한다.
바람직하게 유체 배출 수단은 배출 노즐을 포함한다.
바람직하게 유체 배출 수단은 덕트 또는 각각의 덕트로부터의 유체 출구를 제공한다.
바람직하게 유체 입구 수단 및/또는 유체 출구 수단은 측벽(들)의 애퍼처들을 통과한다.
바람직하게 배터리 팩은 추가 전지들 사이에 포지셔닝되는 적어도 하나의 추가 가요성 덕트를 포함한다.
바람직하게 포팅 수단은 포팅 재료를 포함한다.
이상적으로 포팅 수단은 폼(foam)을 포함한다. 유리하게 폼은 다른 포팅 재료들보다 가볍고 그러므로 다른 포팅 재료들과 비교할 때 팩의 전체 무게를 감소시킨다.
선택적으로 포팅 수단은 열경화성 플라스틱, 실리콘 고무 젤 또는 에폭시 수지를 포함한다.
이상적으로 포팅 수단은 단열 폼을 포함한다. 유리하게 단열 폼은 배터리 팩을 통해 전파되는 높은 에너지 열 이벤트를 방지할 수 있다. 또한, 단열 폼은 배터리 팩에 대한 외부 온도 변동들의 영향을 감소시키고 덕트가 배터리 팩 내에서 열 에너지의 주요 제어기인 것을 보장하는 것을 도울 수 있다.
이상적으로 포팅 수단은 확대된 폼을 포함한다. 유리하게 배터리 팩 내의 팽장가능한 폼의 사용은, 확장된 상태에 있을 때 폼이 배터리 팩 내의 임의의 갭들을 실질적으로 채울 수 있음을 의미한다. 폼의 단열 특성과 함께 결합되어, 열 이벤트가 팩을 통과하는 능력이 크게 감소된다.
이상적으로 포팅 수단은 팽창성 폼을 포함한다.
이상적으로 포팅 수단은 폴리우레탄 폼이다.
이상적으로 포팅 수단은 적어도 하나의 덕트의 적어도 일부의 지지부로서 작용한다.
이상적으로 포팅 수단은 적어도 하나의 덕트의 적어도 일부에 대한 강성의 지지부로서 작용한다.
이상적으로 포팅 수단은 액체 상태로 팩에 부어져 팩 내에서 설정, 경화 또는 굳어질 수 있다.
이상적으로, 포팅 수단은 그 설정, 경화 또는 굳은 상태에서 실질적으로 강하여 배터리 팩 내의 제 위치에 전지(들)와 덕트(들)를 고정시킨다. 이것은 배터리 팩 내의 구성요소들에 대한 진동들의 영향들을 감소시키므로 유리하다.
바람직하게 포팅 수단은 적어도 하나의 덕트의 적어도 일부를 둘러싼다.
바람직하게 포팅 수단은 덕트를 둘러싸고 적어도 하나의 덕트에 전체 외부 지지를 제공한다. 유리하게 포팅 재료로 덕트를 둘러싸는 것은 덕트의 과도한 확장 및/또는 파열을 방지한다.
바람직하게 포팅 수단은 적어도 하나의 덕트의 적어도 일부가 위치되는 공동을 규정한다.
바람직하게 배터리 팩 하우징 내의 체적은 전지들, 지지 구조, 덕트 및 포팅 수단으로 실질적으로 충전된다. 유리하게, 배터리 팩을 실질적으로 충전하는 것은, 습기 및/또는 부식제가 배터리 팩 내의 공간으로부터 배제되는 것을 보장한다.
바람직하게 포팅 수단은 접착제로 작용한다.
바람직하게 포팅 수단은 덕트 또는 각각의 덕트를 제자리에 고정시키는 접착제로서 작용한다.
바람직하게 덕트 또는 각각의 덕트는 냉각제 재료가 덕트를 통해 유동할 수 있도록 개방 구성을 갖는다.
바람직하게 덕트 또는 각각의 덕트는 덕트 또는 각각의 덕트 내의 가압된 냉각 유체에 의해 및/또는 포팅 수단에 대한 접착을 통해 개방 구성으로 유지된다.
바람직하게 포팅 수단은 하나 이상의 덕트(들)를 개방 구성으로 유지하기 위해 접착제로 작용한다.
바람직하게 포팅 수단은 하나 이상의 덕트(들)의 적어도 일부에 접착식으로 부착된다.
바람직하게 포팅 수단은 전지(들)를 제자리에 고정시키는 접착제로서 작용한다.
바람직하게 포팅 수단은 외부 케이싱을 배터리 팩에 고정하는 접착제로서 작용한다. 이는 추가 고정 장치 또는 파스너(fastener)들에 대한 요건을 유리하게 없애고, 이는 배터리 팩의 복잡성을 감소시키고 제조 프로세스를 향상시킨다.
바람직하게 배터리 팩은 적어도 하나의 덕트에 지지를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 지지 수단을 포함한다.
바람직하게 지지 수단 또는 각각의 지지 수단은 하부 크램쉘 상에 위치가능하다.
바람직하게 하나 이상의 지지 수단은 전지들 어레이의 주변 에지에 위치된다.
바람직하게, 지지 수단 또는 각각의 지지 수단은 덕트가 방향을 변경 및/또는 반전시키는 지점에서 덕트에 대한지지를 제공하도록 구성된다. 유리하게, 지지 수단은 덕트가 방향을 반전하는 지점들에서 덕트가 꼬이는 것을 방지한다. 꼬임 방지는 시스템 내 막힘을 감소시키고, 시스템 내 압력 손실을 감소시키며 덕트(들)를 통과하는 냉각 유체의 유량을 향상시킨다.
바람직하게 지지 수단 또는 각각의 지지 수단은 가이드 채널을 포함한다.
이상적으로 가이드 채널은 가요성 덕트를 안내하도록 구성된다.
바람직하게 가요성 덕트의 적어도 일부는 지지 수단 채널 내에 위치된다. 채널 내에서 덕트를 위치시키는 것은 덕트가 방향을 바꾸는 지점들에서 채널이 덕트를 안내하고, 따라서 꼬임들을 방지하기 때문에 유리하다. 또한, 채널은 덕트가 불룩해지고 잠재적으로 파열되는 것을 방지하기 위해 양측에서 덕트에 대한 지지를 제공한다.
바람직하게 지지 수단은 덕트에 여유(slack)가 생성되도록 팽창되지 않은 상태에서 덕트를 부분적으로 수용하도록 구성된 적어도 하나의 리세스를 포함한다. 유리하게, 덕트에 과도한 여유를 제공하는 것은 덕트가 팽창될 때 덕트 꼬임을 방지하는 것을 돕는다. 이는 덕트가 팽창될 때 장력을 받고 과도한 여유가 덕트에 과도한 장력 형성을 방지하는 데 도움이 되기 때문이다.
바람직하게 지지 수단은 적어도 하나의 전지와 덕트 사이에 열 장벽을 제공하도록 구성된다. 이는 일정하게 유지하는 것이 중요하기 때문에 유익하다.
배터리 수명을 연장하기 위한 배터리 팩 전체의 온도 분포. 덕트와 전지 사이에 열 접촉이 너무 많은 위치에서 전지를 단열함으로써, 덕트와 전지들 사이의 열 접촉은 배터리 팩 전체에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지된다. 이것은 차례로 배터리 팩에 걸쳐 일정한 온도 분포를 촉진한다.
바람직하게 배터리 팩은 열 관리 시스템에 동작가능하게 연결된다.
바람직하게 열 관리 시스템은 저장소를 포함한다.
바람직하게 저장소는 냉각제 루프와 유체 연통한다.
이상적으로 저장소는 냉각 유체를 포함한다.
바람직하게 저장소는 냉각제 루프 내의 냉각 유체에 정수압을 제공한다.
바람직하게 열 관리 시스템은 냉각제 루프를 가압하기 위해 저장소로부터 냉각제 루프로 냉각제를 펌핑하도록 구성된 펌프를 포함한다. 유리하게, 저장소 내의 냉각제 유체는 열 관리 시스템을 가압하는 데 사용될 수 있다.
유리하게 이것은 압력이 목표 동작 압력으로 유지되도록 열 관리 시스템 내에서 압력이 유지되게 한다. 저장소들을 통해 덕트에 압력을 인가하는 것은 자체-지지를 가능하게 하고 따라서 펌프로부터의 임의의 유체 역학적 압력 손실을 제거하고 냉각 시스템 내의 압력 강하를 크게 감소시킨다.
이상적으로 열 관리 시스템은 목표 동작 압력이 유지되도록 냉각제의 압력을 모니터링하는 압력 센서를 포함한다.
바람직하게 덕트 재료는 매트릭스 및 충전제를 포함한다. 이상적으로 충전제의 열 전도도는 매트릭스의 열 전도도보다 크다. 유리하게, 매트릭스 내에 충전제의 포함은 덕트 재료의 열 전도도를 증가시킨다.
바람직하게 매트릭스는 가요성 매트릭스이다.
바람직하게 매트릭스는 전기적으로 절연이다.
바람직하게 매트릭스는 플라스틱 매트릭스이다.
바람직하게 매트릭스는 폴리머 매트릭스이다.
바람직하게 매트릭스는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 매트릭스, 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 매트릭스, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 매트릭스, 폴리에스테르, 실리콘 또는 고무 매트릭스이다.
바람직하게 매트릭스는 15 Wm-1K-1 미만, 10 Wm-1K-1 미만, 5 Wm-1K-1 미만 및/또는 1 Wm-1K-1 미만의 열 전도도를 갖는다.
바람직하게 충전제는 충전제 재료의 입자들을 포함한다.
바람직하게 충전제 재료의 입자들은 매트릭스 전체에 분산된다.
바람직하게 충전제 재료의 입자들은 1 nm 내지 10 nm의 평균 직경을 갖는다.
바람직하게, 충전제 재료의 입자들은 세장형, 관형, 섬유 또는 실질적으로 구형을 갖는다.
바람직하게 충전제 재료의 세장형 입자들은 직경이 1-10 nm이고 선택적으로 길이가 0.5-5 nm이다.
바람직하게 충전제는 유기 충전제 재료를 포함한다. 바람직하게 충전제는 탄소, 카본 블랙, 흑연, 흑연 소판 그래핀, 다중-벽 탄소 나노튜브들 또는 단일-벽 탄소 나노튜브들과 같은 탄소-기반 충전제 재료를 포함한다.
선택적으로 충전제는 무기 충전제 재료를 포함한다. 선택적으로 충전제는 산화 알루미늄, 탄화 규소, 질화 붕소, 질산 규소, 알루미나, 질화 알루미늄 또는 산화 아연과 같은 세라믹 충전제 재료를 포함한다.
바람직하게 충전제는 10 Wm-1K-1 초과 및/또는 100 Wm-1K-1 초과의 열 전도도를 갖는다.
바람직하게 덕트 재료는 25 부피% 미만의 충전제, 5-18 부피%의 충전제 또는 15 부피%의 충전제를 포함한다. 유리하게, 제한된 양의 충전제를 매트릭스에 통합하는 것은 낮은 전기 전도도 및 재료의 적절한 가요성을 유지하면서 증가된 열 전도도를 제공한다.
바람직하게 덕트 재료는 실온에서 0.33 Wm-1K-1 초과, 실온에서 1 Wm-1K-1 초과 및/또는 실온에서 10 Wm-1K-1 초과의 열 전도도를 갖는다.
이상적으로, 지지 수단은 내부 가이드 형성부를 갖는다.
이상적으로, 내부 가이드 형성은 사용 시 가요성 덕트의 회전 내부에 위치가능하다.
바람직하게, 내부 가이드 형성은 사용시 전지와 가요성 덕트 사이에 위치된 내부 지지면을 갖는다.
이상적으로, 지지 수단은 외부 가이드 형성부를 갖고, 외부 가이드 형성은 외부 지지면을 갖는다.
바람직하게, 지지 수단의 가이드 경로의 적어도 일부는 내부 가이드 형성의 내부 지지면과 외부 가이드 형성의 외부 지지면 사이에 규정된다.
내부 지지면 및/또는 외부 지지면은 연속적이거나 불연속적일 수 있다.
바람직하게 지지 수단의 적어도 일부는 압축가능하다. 팽창된 상태에서, 덕트는 장력으로 인해 내부의 임의의 굴곡(bend) 방향으로 당기는 경향이 있다. 유리하게, 지지 수단의 적어도 일부를 압축가능하게 하는 것은 덕트가 당기는 표면으로 하여금 덕트 체적이 굴곡에서 꼬여서 닫히는 것을 방지하도록 약간 양보하게 한다.
이상적으로, 내부 가이드 형성, 가장 바람직하게 내부 지지면의 적어도 일부는 압축가능하다. 이상적으로, 내부 가이드 형성은 압축가능한 폼을 포함한다.
바람직하게, 지지 수단의 적어도 일부는 배터리 팩 하우징과 일체로 형성된다. 가장 바람직하게, 지지 수단의 적어도 일부는 배터리 팩 하우징의 하부 크램쉘 또는 배터리 팩 하우징의 상부 케이싱과 일체로 형성된다.
바람직하게, 배터리 팩 하우징의 적어도 일부는 지지 구조의 일부를 형성한다. 가장 바람직하게, 배터리 팩 하우징의 내부 측벽의 적어도 일부는 가요성 덕트를 지지하는 데 사용된다.
본 발명의 제2 양상에 따라, 배터리 팩을 제조하는 방법이 제공되고, 방법은: 하나 이상의 전지들을 제공하는 단계; 덕트와 하나 이상의 전지들 중 적어도 하나 사이에서 열이 교환될 수 있도록 하나 이상의 전지들 중 적어도 하나의 표면에 근접하게 가요성 덕트를 포지셔닝하는 단계; 유체를 덕트에 삽입하는 단계; 및 덕트의 적어도 일부에 대한 지지부로서 작용하도록 적응된 포팅 수단을 제공하는 단계를 포함한다.
유리하게 방법은 전지들의 표면 모양에 밀접하게 일치할 수 있고 포팅 수단에 의해 보강되는 덕트를 포함하는 향상된 배터리 팩을 생성하는 방식을 제공한다.
바람직하게 방법은 전지들의 어레이를 제공하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 하나 이상의 원통형 전지들을 제공하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 밀집된 원통형 전지들의 어레이를 제공하는 단계를 포함하고, 여기서 전지들 사이의 최소 분리간격은 0.5-5 mm이다.
바람직하게 방법은 밀집된 원통형 전지들의 어레이를 제공하는 단계를 포함하고, 여기서 전지들 사이의 최소 분리간격은 2 mm이다.
바람직하게 방법은 배터리 팩 하우징을 구성하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 하부 크램쉘을 제공하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 하부 크램쉘의 리세스들에 하나 이상의 전지들을 위치시키는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 하나 이상의 측벽들을 제공하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 하나 이상의 측벽들을 하부 크램쉘에 부착하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 상부 크램쉘을 제공하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 상부 크램쉘의 리세스들에 하나 이상의 전지들을 위치시키는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 하나 이상의 측벽들을 상부 크램쉘에 부착하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 하나 이상의 버스바들을 상부 크램쉘 및/또는 하부 크램쉘에 부착하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 유체 유입 수단을 덕트 또는 각각의 덕트에 피팅(fitting)하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 유체 유출 덕트 또는 각각의 덕트에 피팅하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 유입 노즐 및 배출 노즐을 측벽(들)의 애퍼처들을 통해 통과시키는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 하나 이상의 전지들에 인접한 포지션에 가요성 덕트 또는 각각의 가요성 덕트를 포지셔닝하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 전지들 사이의 가요성 덕트 또는 각각의 가요성 덕트를 포지셔닝하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 추가 가요성 덕트 또는 각각의 추가 가요성 덕트와 하나 이상의 전지들 중 적어도 하나 사이에서 열이 교환될 수 있도록 하나 이상의 전지들의 표면에 근접하게 하나 이상의 추가 가요성 덕트들을 포지셔닝하는 단계를 포함한다.
바람직하게 전지들 사이에 가요성 덕트(들)를 포지셔닝하는 단계는, 하부 크램쉘의 리세스들에 하나 이상의 전지들을 위치시키는 단계 이후 수행된다.
바람직하게 2 개 이상의 전지들 사이에 가요성 덕트(들)를 포지셔닝하는 단계는, 상부 크램쉘의 리세스들에 하나 이상의 전지들을 위치시키는 단계 이전에 수행된다.
바람직하게 방법은 배터리 팩 내의 구불구불한 경로를 따라 가요성 덕트 또는 각각의 가요성 덕트를 포지셔닝하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 덕트 또는 각각의 덕트가 실질적으로 팽창되지 않은 상태에 있을 때 하나 이상의 전지들 중 적어도 하나의 표면에 근접하게 덕트 또는 각각의 덕트를 포지셔닝하는 단계를 포함한다.
바람직하게 유체를 덕트 또는 각각의 덕트에 삽입하는 단계는 덕트(들)가 확장되게 한다.
바람직하게 유체를 덕트 또는 각각의 덕트에 삽입하는 단계는 덕트(들)를 유체로 실질적으로 충전하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 유체로 덕트(들)를 팽창시키는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 공기 또는 냉각제 유체와 같은 작동 유체로 덕트(들)를 팽창시키는 단계를 포함한다.
바람직하게 유체를 덕트 또는 각각의 덕트에 삽입하는 단계는 덕트(들)를 가압하는 단계를 포함한다.
바람직하게 유체를 가요성 덕트 또는 각각의 가요성 덕트에 삽입하는 단계는, 덕트(들) 내의 유체 압력이 대기압보다 크도록 덕트(들)를 가압하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은, 각각의 덕트의 모양이 하나 이상의 전지(들)의 표면 모양의 적어도 일부와 일치하도록 가요성 덕트 또는 각각의 가요성 덕트를 팽창시키는 단계를 포함한다. 유리하게, 이것은 덕트의 냉각제와 개별 전지들 사이의 열 에너지의 전달을 향상시키는 덕트와 전지들 사이의 열 접촉 영역을 증가시킨다.
이상적으로 방법은 덕트(들)에 의해 하나 이상의 전지들을 제자리에 고정하는 단계를 포함한다. 이것은, 접착제가 배터리 팩의 제자리에 전지들을 고정하기 위한 요건을 제거하기 때문에 유리하다. 또한, 배터리 팩이 진동을 받는 자동차 또는 항공우주 애플리케이션에 사용될 때, 덕트는 개별 전지들을 제자리에 고정하여 배터리 팩에 대한 진동들의 영향들을 감소시킬 있다.
바람직하게 방법은 하부 크램쉘 상에 하나 이상의 지지 수단을 포지셔닝하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 전지들의 어레이의 주변 에지에서 하부 크램쉘 상에 하나 이상의 지지 수단을 포지셔닝하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 덕트의 적어도 일부에 지지를 제공하기 위해 지지 수단 내에 덕트의 일부를 위치시키는 단계를 포함한다. 지지 수단에 덕트를 배치하는 것은 덕트가 확장될 때 덕트가 꼬이는 것을 방지하기 때문에 유리하다.
바람직하게 방법은 덕트가 실질적으로 팽창되지 않은 상태에 있을 때 지지 수단의 리세스 내에 덕트의 일부를 위치시키는 단계를 포함한다. 이것은, 리세스에 덕트를 위치시키는 것이 팽창 전에 덕트에 과도한 여유가 있음을 보장하기 때문에 유리하다. 덕트에 과도한 여유를 제공하는 것은 팽창 프로세스 동안 덕트의 꼬임을 완화시킨다.
바람직하게 방법은 하나 이상의 덕트(들)의 적어도 일부를 포팅 수단으로 둘러싸는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 실질적으로 전체 덕트 또는 각각의 전체 덕트를 포팅 수단으로 둘러싸는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 상부 크램쉘, 하부 크램쉘 및/또는 측벽(들)을 통해 포팅 수단을 삽입하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 확장가능한 포팅 수단을 배터리 팩에 주입하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 포팅 수단을 배터리 팩에 삽입하기 전에 가요성 덕트에 대한 압력 테스트를 수행하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 배터리 팩에 폼을 삽입하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 팽창성 폼을 배터리 팩에 삽입하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 폴리우레탄 폼을 배터리 팩에 삽입하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 열경화성 플라스틱, 실리콘 고무 겔 또는 에폭시 수지를 배터리 팩에 삽입하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 포팅 수단을 배터리 팩에 삽입하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 포팅 수단이 점성 또는 액체 상태에 있는 동안 포팅 수단을 배터리 팩에 삽입하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 포팅 수단을 배터리 팩에 삽입하기 전에 유체를 덕트 또는 각각의 덕트에 삽입하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 포팅 수단을 배터리 팩에 삽입하기 전에 가요성 덕트 또는 각각의 가요성 덕트를 가압 및/또는 팽창시키는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 배터리 팩 내의 포팅 수단을 경화 또는 굳히는 단계를 포함한다.
바람직하게 유체를 가요성 덕트 또는 각각의 가요성 덕트 내로 삽입하는 단계는 덕트(들)가 개방 구성으로 확장되게 한다.
바람직하게 방법은 포팅 수단에 대한 접착을 통해, 배터리 팩 내의 개방 구성에 덕트 또는 각각의 덕트를 유지하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 덕트 또는 각각의 덕트가 실질적으로 팽창된 상태 및/또는 개방 구성인 동안 배터리 팩 내의 포팅 수단을 경화 또는 굳히는 단계를 포함한다.
이상적으로 방법은 포팅 수단이 설정되거나 경화되고 실질적으로 강성 상태에 진입할 때까지 덕트 또는 각각의 덕트 내에서 압력을 유지하는 단계를 포함한다. 유리하게, 포팅 수단을 주입하기 전에 덕트를 팽창시키는 단계는, 일단 포팅 수단이 강성으로 설정되면 덕트가 확장하기에 충분한 공간을 갖는 것을 보장한다.
바람직하게 방법은 배터리 팩 내의 갭들을 충전하는 포팅 수단을 확장시키는 단계를 포함한다. 유리하게, 폼의 확장은, 폼이 배터리 팩 내의 임의의 갭들을 충전하는 것을 의미한다. 이것은 팩의 전체 기계적 강도를 향상시킨다.
바람직하게 방법은 단열 폼으로 전지들을 둘러싸 전지들을 단열시키는 단계를 포함한다. 유리하게 단열 폼은 배터리 팩을 통해 전파되는 높은 에너지 열 이벤트를 방지할 수 있다. 또한, 단열 폼은 배터리 팩에 대한 외부 온도 변동들의 영향을 감소시키고 덕트가 배터리 팩 내에서 열 에너지의 주요 제어기인 것을 보장하는 것을 도울 수 있다.
바람직하게 방법은 포팅 수단에 의해, 배터리 팩 내의 제자리에 덕트 및/또는 전지들을 고정하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 포팅 수단에 대한 접착을 통해, 배터리 팩 내의 개방 구성에 덕트 또는 각각의 덕트를 유지하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 포팅 수단에 의해, 배터리 팩에 외부 케이싱을 고정시키는 단계를 포함한다. 이는 추가 고정 장치 또는 파스너들에 대한 요건을 유리하게 없애고, 이는 배터리 팩의 복잡성을 감소시키고 제조 프로세스를 향상시킨다.
바람직하게 방법은 전지들을 버스 바들에 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 초음파 본딩, 레이저 용접, 초음파 용접 또는 저항 용접을 사용하여 전지들을 버스바들에 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 전지들이 가요성 덕트에 의해 제자리에 유지되는 동안 전지들을 버스바들에 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 포팅 재료가 배터리 팩에 삽입되기 전에 전지들을 버스바들에 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 전지들을 버스바들에 전기적으로 연결한 후 포팅 수단을 배터리 팩에 삽입하는 단계를 포함한다. 유리하게, 포팅 수단은 알루미늄 초음파 와이어 본드들을 외부 습기로부터 보호하고, 이에 의해 와이어 본드들의 갈바닉 부식을 방지하는 역할을 한다.
본 발명의 다른 양상에 따라, 전지를 버스바에 전기적으로 연결하는 방법이 제공되고, 방법은 팽창된 가요성 덕트를 사용하여 원하는 포지션에 전지를 유지하는 단계; 및 전지와 버스바 사이에 전기적 연결을 제공하는 단계를 포함한다. 유리하게, 가요성 덕트는 전지(들)를 버스바(들)에 전기적으로 연결할 때 접착제의 필요성을 제거하여 팩 내의 제자리에 전지(들)를 고정할 수 있다.
바람직하게 전지와 버스바 사이에 전기적 연결을 제공하는 단계는 와이어를 전지 및/또는 버스바에 초음파 본딩하는 단계를 포함한다.
바람직하게 전지와 버스바 사이에 전기적 연결을 제공하는 단계는 초음파 본딩, 레이저 용접, 초음파 용접 또는 저항 용접을 포함한다.
바람직하게 전지와 버스바 사이에 전기적 연결을 제공하는 단계는 알루미늄 와이어 본드를 전지 및/또는 버스바에 연결하는 단계를 포함한다.
바람직하게 방법은 전지들을 버스바들에 초음파로 본딩한 후 적어도 하나의 전지를 포팅하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 양상에 적용가능한 선택적 특징이 임의의 조합으로, 임의의 수로 사용될 수 있음이 인식될 것이다. 또한, 이들은 또한 임의의 조합 및 임의의 수로 본 발명의 임의의 다른 양상들과 함께 사용될 수 있다. 이것은 본 출원의 청구 범위에서 임의의 다른 청구에 대한 종속항으로 사용되는 임의의 청구항으로부터의 종속항들을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본 발명은 이제 본 발명에 따른 장치의 단지 하나의 실시예를 예로써 도시하는 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 팩과 함께 사용하기에 적합한 열 관리 시스템 및 제어 모듈의 개략도이다.
도 2는 상부 및 하부 크램쉘들 및 측벽들이 피팅된 배터리 팩의 사시도이다.
도 3은 측벽들이 제거된 도 2의 배터리 팩의 사시도이다.
도 4는 도 2의 배터리 팩의 하부 크램쉘 구성요소의 사시도이다.
도 5는 전지들의 어레이가 피팅된 도 4의 하부 크램쉘의 사시도이다.
도 6은 서미스터가 피팅된 도 5의 전지들의 어레이를 도시하는 확대 사시도이다.
도 7은 도 5에 도시된 전지들의 어레이에 피팅된 지지 구조를 도시하는 확대 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들과 함께 사용하기에 적합한 지지 구조의 사시도이다.
도 9는 도 5에 도시된 전지들의 어레이에 피팅되는 가요성 덕트의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들과 함께 사용하기에 적합한 다중-루멘 가요성 덕트의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예들과 함께 사용하기에 적합한 복수의 가요성 덕트들을 포함하는 열교환기의 평면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 열교환기의 사시도이다.
도 13은 본 발명의 실시예들과 함께 사용하기에 적합한 복수의 가요성 다중-루멘 덕트들을 포함하는 열교환기의 평면도이다.
도 14는 도 13에 도시된 열교환기의 사시도이다.
도 15는 본 발명의 실시예들과 함께 사용하기에 적합한 복수의 가요성 다중-루멘 덕트들을 포함하는 열교환기의 평면도이다.
도 16은 도 15에 도시된 열교환기의 사시도이다.
도 17은 상부 및 하부 크램쉘들, 측벽들 및 가압 매니폴드가 피팅된 배터리 팩의 사시도이다.
도 18은 팽창되지 않은 상태에서 전지들 사이에 위치된 가요성 덕트를 도시하는 단면도이다.
도 19는 팽창된 상태에서 전지들 사이에 위치된 가요성 덕트의 단면도이다.
도 20은 팽창되지 않은 상태의 지지 구조 및 가요성 덕트의 확대 평면도이다.
도 21은 제자리에 위치된 지지 구조 및 가요성 덕트의 확대 평면도이다.
도 22는 팽창된 상태의 지지 구조 및 가요성 덕트의 확대 평면도이다.
도 23은 자동화 프로세스에서 포팅 재로 충전된 배터리 팩의 사시도이다.
도 24는 저장소를 포함하는 본 발명의 실시예들과 함께 사용하기에 적합한 열 관리 시스템의 개략도이다.
도 25는 가압되는 도 24의 열 관리 시스템의 개략도이다.
도 26은 동작 상태인 도 24의 열 관리 시스템의 개략도이다.
도 27은 본 발명의 실시예들과 함께 사용하기에 적합한 대안적인 열 관리 시스템의 개략도이다.
도 28은 덕트의 길이를 따라 가변하는 덕트 벽 두께를 갖는 전지들의 어레이 및 구불구불한 덕트의 상부 평면도이다.
도 29는 덕트들의 길이를 따라 가변하는 덕트 벽 두께를 갖는 복수의 직선 덕트들의 사시도를 도시한다.
도 30은 포팅 재료를 도시하는 배터리 팩의 일부의 절개 사시도이다.
도 31은 덕트 재료가 매트릭스 및 충전제를 포함하는 덕트의 단면 개략도이다.
도 32는 추가 지지 구조의 사시도이다.
도 33은 도 32의 지지 구조의 평면도이다.
도 34는 추가 지지 구조의 사시도이다.
도 35는 배터리 팩 내에 설치된 도 34의 지지 구조의 사시도이다.
도 36은 배터리 팩 내에 설치된 도 35의 지지 구조의 추가 사시도이다.
도 1에는 배터리 팩(21)을 위한 열 관리 시스템(18)이 도시된다. "배터리"라는 용어는 하나 이상의 개별 전지, 예를 들어 어레이로 배열된 전지들의 그룹을 설명하기 위해 본원에서 사용된다. "전지"라는 용어는 리튬-이온 또는 니켈 금속 하이브리드 전지들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 다양한 전지를 지칭하는 데 사용될 수 있다. 배터리 팩(21)은 하나 이상의 전지들(30), 하나 이상의 전지들(30) 중 적어도 하나의 표면에 근접하게 포지셔닝된 가요성 덕트(50/230)를 포함하여, 열은 가요성 덕트(50/230)와 하나 이상의 전지들(30) 및 덕트(50/230)의 적어도 일부에 대한 지지부로서 작용하도록 적응된 포팅 재료(231) 사이에서 교환될 수 있다. 배터리 팩(21)의 원하는 전압 및 용량을 생성하기 위해 임의의 수의 개별 전지들이 사용될 수 있다.
열 관리 시스템(18)은 개별 전지들을 적절한 동작 온도, 예를 들어 약 25℃로 유지하도록 배터리 팩(21) 내의 열 에너지를 관리하는 데 사용된다. 배터리 팩(21) 내의 개별 전지들은 충전 및/또는 방전될 때 열을 생성한다. 열 관리 시스템(18)은 개별 전지(들)의 표면에 근접하고/하거나 접촉하는 가요성 덕트를 통해 글리콜-물 혼합물과 같은 냉각제 유체를 순환시킴으로써 배터리 팩(21) 내의 열 에너지를 관리한다.
열 관리 시스템(18)은 열교환기 (23), 펌프(25) 및 배터리 팩(21)을 통해 냉각제를 운반하는 가요성 덕트(도시되지 않음)를 포함한다. 가요성 덕트는 동일한 냉각제 회로(183)의 일부로서 열교환기(23) 및 펌프(25)와 유체 연통한다. 열 관리 시스템(18)의 냉각제는 가압되고 펌프(25)는 냉각제 회로(183)를 통해 냉각제의 유동을 야기한다. 냉각제 유체의 압력은 가요성 덕트가 확장되게 한다. 가요성 덕트가 확장됨에 따라, 이는 원통형 전지들의 모양에 의해 제시되는 물결모양의 표면과 일치하고 이에 의해 원통형 전지들의 각각과 접촉하는 가요성 덕트의 표면 영역을 증가시킨다. 이는 전지들과 가요성 덕트 사이의 열 접촉 영역과 접촉 압력을 증가시켜, 가요성 덕트와 개별 전지들 사이의 열 에너지 전달을 향상시키기 때문에 유리하다.
가요성 덕트 내의 냉각제의 유량을 조절함으로써, 펌프(25)는 배터리 팩(21)의 온도를 원하는 동작 온도로 유지하도록 구성된다. 열교환기(23)는 배터리 팩(21)이 냉각을 요구할 때 냉각제로부터 열 에너지를 소산시킬 수 있다. 열교환기(23)는 배터리 팩(21)이 가열을 요구할 때 냉각제에 열 에너지를 추가할 수 있다. 보충 가열 또는 냉각 시스템은 요구될 때 열교환기(23)와 협력할 수 있다.
열 관리 시스템(18)은 제어 모듈(27)에 연결된다. 제어 모듈(27)은 배터리 팩(21) 내의 온도를 나타내는 입력 신호들을 수신한다. 제어 모듈(27)은 원하는 동작 온도가 유지되도록 수신된 온도 입력 신호들에 대한 응답으로 열 관리 시스템(18)을 조절하기 위해 열 관리 시스템(18)에 제어 신호를 출력할 수 있다.
배터리 팩(21)은 원통형 전지들(30)의 어레이 또는 매트릭스를 포함한다. 전지들(30)은 도 2에 도시된 주변 측벽들(90, 92)에 의해 접합되는 하부 및 상부 크램쉘(20, 80) 사이에 샌드위치된다. 도 3은 팩 내의 전지들(30)을 볼 수 있도록 다수의 구성요소들이 제거된(측벽들(90,92) 포함) 팩을 도시한다. 전지들(30)은 평행한 축들을 따라 정렬되고 직선의 평행한 행들의 어레이로 배열된다. 하부 및 상부 크램쉘(20, 80)은 배터리 팩(21)을 생성하기 위해 개별 전지들(30)을 전기적으로 연결하는 버스바들을 포함한다.
통상의 기술자는 전지들이 원통형 이외의 모양, 예를 들어 입방형, 프리즘형 또는 파우치형 전지들일 수 있음을 인식할 것이다. 그러나, 원통형 전지들은 상대적으로 비용이 저렴하고 에너지 밀도가 높아 배터리 팩들에 사용하기에 매력적인 선택이다. 또한, 원통형 전지들은 파우치형 전지들 또는 입방형 전지들과 같은 다른 전지 모양들보다 대량 생산에서 더 쉽게 만들 수 있고, 자체-지지된다(파우치형 전지들은 캐리어 또는 지지부를 요구하지만 프리즘형들은 또한 자체-지지됨). 예시적인 실시예들에서, 전지들은 18650 또는 2170 개의 리튬-이온 전지들이다.
도 4는 배터리 팩(21)의 하부 크램쉘(20)의 사시도를 도시한다. 하부 크램쉘(20)은 원형 소켓들(22) 형태의 리세스들의 어레이를 갖는 플레이트이다. 각각의 소켓(22)의 베이스는 크램쉘(20)을 관통하는 애퍼처를 둘러싸는 내향-돌출 플랜지를 포함한다. 각각의 소켓(22)은 각각의 원통형 전지(30)의 단부 부분을 수용하도록 구성된다. 도시된 예에서, 소켓들(22)은 16 개의 병렬 행들을 갖는 어레이로 배열되고, 각각의 행은 길이가 13 개의 소켓들이다. 각각의 행의 소켓들(22)은 이웃하는 행 또는 행들의 소켓에 관하여 엇갈리게 배치되어 대부분의 소켓들(22)은 각각 하나 또는 2 개의 행들의 소켓들의 쌍(22) 사이에 네스팅(nest)된다. 이것은 공간 효율과 전력 밀도를 최대화하지만 정확한 동작 온도에서 전지들(30)을 유지하는 문제를 증가시킨다.
통상의 기술자는 임의의 적절한 길이를 갖는 임의의 수의 전지들의 행들이 배터리 팩(21)에 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 배터리 팩(21)에서 개별 전지들(30)의 수를 증가시키는 것은 배터리 팩(21)의 전체 용량 및/또는 전압을 증가시킨다.
또한, 배터리 팩(21)의 전지들(30)은 수직으로 적층된 배터리 팩에서 수직으로 배열될 수 있다.
배터리 팩(21)의 제조는 하나 이상의 전지들(30), 예를 들어 도 5에 도시된 전지들의 어레이를 제공하는 것을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 복수의 전지들(30)은 하부 크램쉘(20)의 각각의 소켓들(22)에 삽입된다. 전지들(30)은 소켓들(22)에 의해 위치되고 하부 크램쉘(20)(도시되지 않음)의 하부측에 포지셔닝된 버스 바들은 개별 전지들(30)에 연결된다.
많은 배터리 전지 제조업체들은 열 전파를 방지하기 위해 2 mm의 최소 전지 간 간격 거리를 권장한다. 통상의 기술자는 원통형 전지들의 엇갈리게 밀집된 어레이가 최소 권장 전지 간 간격을 유지하면서 원통형 전지들을 주어진 체적으로 패킹하는 가장 체적 효율적인 방법이라는 것을 인식할 것이다. 본원에 설명된 가요성 덕트(50)는 10 um 내지 150 um 두께의 벽들을 가지며, 덕트(50)는 인접한 원통형 전지들(30) 사이의 2 mm 엇갈린 채널 내에 쉽게 피팅될 수 있다. 종래 기술 열 관리 시스템은 통상적으로 덕트를 수용하기 위해 증가된 전지 간 간격을 요구하여, 전체 팩 치수를 증가시키고 체적 에너지 밀도를 감소시킨다. 본 발명은 이러한 점에서 현재의 기술에 비해 상당한 향상을 제공한다. 또한, 본 발명은 이웃 전지들(30)이 전지 제조업체에 의해 권장되는 최소 간격 제한, 또는 0.5-5 mm 범위의 임의의 최소 간격에 의해 분리되게 한다.
도 6은 온도 센서들(40), 예를 들어 서미스터들의 어레이가 배터리 팩(21) 내의 전지들(30)의 적절한 간격 선택에 어떻게 연결될 수 있는지를 도시한다. 조립하는 동안, 온도 센서(40)에 부착된 케이블(42)은 자유로워진다. 이는 상부 크램쉘(80)이 배터리 팩(21)에 고정될 때 케이블(42)이 상부 크램쉘(80)에 고정될 수 있게 한다. 온도 센서들(40)은 배터리 팩(21) 내의 개별 전지들(30)의 온도를 모니터링하고 온도 판독값을 제어 모듈(27)에 제공한다. 전지들(30)의 온도가 목표 동작 온도에서 벗어나면, 제어 모듈(27)은 목표 동작 온도를 유지하도록 열 관리 시스템(18)을 조정할 수 있다.
통상의 기술자에 의해 인식될 바와 같이, 본 발명은 일반적으로 직선, 평행, 매니폴드 및/또는 구불구불한 열교환기들/덕트들을 이용하는 배터리 팩에 사용될 수 있다. 구불구불한 덕트는 통상적으로 프리즘형 전지들의 평면 표면들이 덕트와 열 접촉하기 위해 큰 표면 영역을 제공하기 때문에 프리즘형 전지들과 함께 사용된다. 이러한 방식으로 열 접촉을 유지하면서 구불구불한 방식으로 프리즘형 전지들 주위에 가요성 덕트를 둘러싸는 것은 쉽다. 그러나, 구불구불한 덕트들은 덕트가 방향을 반전하거나 바꾸는 변곡점들에서 꼬임에 취약하다. 열교환기의 꼬임은 덕트에 막힘 및 압력 증가가 발생하고 이는 냉각제의 유동을 방해하거나 방지할 수 있다. 꼬임은 가요성 덕트(50)가 그 자체로 접히게 하여 덕트(50) 내에서 막힘을 초래할 수 있다. 일련의 다중 굴곡들에 대한 꼬임으로 인한 시스템 내 압력 손실은 상당할 수 있고, 이는 열 관리 시스템(18)의 전체 성능을 감소시킬 수 있다.
또한, 압력의 증가는 덕트 벽이 늘어나고 얇아지게 할 수 있고, 이는 궁극적으로 파열 및 냉각제 손실을 초래할 수 있다.
꼬임으로 인한 막힘들은 굴곡들에서도 가요성 덕트들(50)을 개방 구성으로 강요하는 충분한 레벨로 덕트(50) 내의 냉각제 유체를 가압함으로써 극복될 수 있다. 그러나, 꼬임을 극복하기 위해 고압의 사용은 가요성 덕트(50)가 늘어나고, 얇아지고, 파열되게 할 수 있다. 가요성 덕트(50)의 각각의 굴곡부에서 꼬임들을 극복하는 데 요구된 압력은 종종 가요성 덕트(50)가 파열없이 견딜 수 있는 압력을 초과한다.
가요성 덕트(50)가 배터리 팩(21)의 전지들(30) 사이 및/또는 주위의 구불구불한 경로를 따르는 실시들에서, 이의 꼬임 및/또는 접힘을 방지하기 위해 모서리들에서 덕트(50)를 안전하게 지지하는 방식을 제공하는 것이 필요하다. 도 7에 도시된 바와 같이, 지지 구조(70)는 가요성 덕트(50)가 방향을 변경하는 곳, 즉 꼬임 경향이 있는 곳에서 가이드로서 배터리 팩(21) 내에서 사용된다. 지지 구조(70)는 가요성 덕트(50)가 전지들의 어레이(30)로부터 나오고 방향을 반전시키는 배터리 팩(21)의 에지에 위치된다. 도 7은 전지들(30)의 주변에서 배터리 팩(21) 상에 포지셔닝된 지지 구조(70)를 도시한다. 지지 구조들(70)은 덕트(50)가 전지들의 어레이(30)로부터 나오고 전지들의 어레이(30)로 다시 진입하는 각 지점에서 배터리 팩(21)의 대향 측면들을 따라 포지셔닝된다.
각각의 지지 구조(70)는 가요성 덕트(50)가 전지들의 어레이(30)로부터 나오고 방향을 변경하는 가요성 덕트(50)를 안내하기 위해 배터리 팩(21)의 대향 측면들에 포지셔닝된다. 이를 위해, 도 8에 도시된 바와 같이 지지 구조(70)는 가요성 덕트(50)를 위한 가이드 경로(74)를 규정한다. 가이드 경로(74)는 가요성 덕트(50)가 삽입될 수 있고 이어서 가요성 덕트(50)가 꼬임없이 방향을 변경하기 위해 따르는 슬롯 또는 채널이다. 지지 구조(70)의 가이드 경로(74)는 내부 가이드 형성부(72)의 내부 지지면(77)과 외부 가이드 형성부(79)의 외부 지지면 (78) 사이에 규정된다.
가요성 덕트(50)는 가이드 경로(74)를 따르도록 팽창되지 않은 상태로 지지 구조(70) 내로 삽입될 수 있다. 가이드 경로(74)는 가요성 덕트(50)의 초과 길이를 수용하도록 형상화된다. 가요성 덕트(50)에 초과 길이를 제공하는 것은 가요성 덕트(50)가 팽창되어 장력을 받을 때 꼬임을 완화하는 약간의 여유를 생성한다. 가요성 덕트(50)는 조립의 용이성을 위해 팽창되지 않은 상태로 가이드 경로(74)에 삽입된다. 그러나, 통상의 기술자는 가요성 덕트(50)에 조립을 돕기 위해 약간의 강성을 제공하기 위해 가요성 덕트(50)를 가압하는 데 소량의 작동 유체가 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 작동 유체는 예를 들어 공기 또는 냉각제 유체일 수 있다.
내부 가이드 형성부(72)는 내부 지지면(77)의 굴곡 반경이 덕트(50) 꼬임없이 연속적인 90° 굴곡에서 180°를 통해 유연하게 가요성 덕트(50)를 안내하기에 충분히 크도록 치수화된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 내부 지지면(77)은 2 개의 반경 에지들(75) 사이에 평면 세장형 면(73)을 포함한다. 세장형 면(73)은 그렇지 않으면 꼬임이 발생할 가능성이 가장 높은 지점에서 가요성 덕트(50)를 곧게 펴고 지지하는 역할을 한다.
가요성 덕트(50)의 초과 길이에 의해 규정된 여유를 수용하기 위해 반경형 에지들(75)에 대향하는 외부 가이드 형성부(79)의 노치형 리세스(76)가 외부 지지면(78)의 일부를 형성한다. 구체적으로, 반경형 에지(75) 주위에서 굴곡되는 가요성 덕트(50)의 여유 부분은 반경형 에지(75)로부터 리세스들(76) 내로 당겨 지거나 밀려날 수 있다. 가요성 덕트(50)를 팽창시키기 전에 이러한 방식으로 가요성 덕트(50)를 35 개의 리세스들(76) 내로 가압하는 것은 반경형 에지들(75)에서 가요성 덕트(50)에 여유를 생성한다. 팽창 전에 가요성 덕트(50)에 이러한 여유를 제공하는 것은 팽창될 때 덕트(50)의 꼬임을 완화하는 데 도움을 주기 때문에 유리하다. 노치형 리세스들(76)은 외부 가이드 형성 부(79)의 외부 지지면(78)의 리세스들이고, 반경형 에지들(75) 주위에 여유를 생성하기 위해 덕트(50)를 부분적으로 수용하기에 적합한 임의의 모양일 수 있다.
통상의 기술자에 의해 이해될 바와 같이, 배터리 팩(21)이 실질적인 굴곡을 포함하지 않고/않거나 꼬일 가능성이 없는 경우(이를테면 구불구불하지 않거나 또는 일반적으로 직선 덕트가 사용되는 경우) 지지 구조는 일반적으로 요구되지 않는다.
배터리 팩(21)의 제조는 가요성 덕트(50)와 하나 이상의 전지들(30) 중 적어도 하나 사이에서 열이 교환될 수 있도록 하나 이상의 전지들(30) 중 적어도 하나의 표면에 근접하게 가요성 덕트(50)를 포지셔닝하는 것을 포함한다. 도 9는 전지들의 어레이(30)에 삽입되는 가요성 덕트(50)를 도시한다. 덕트(50)는 냉각제 유체(20)가 배터리 팩(21)을 통해 운반되도록 배터리 팩(21) 내에 구불구불한 방식으로 배열된다. 구체적으로, 덕트(50)는 전지들(30)의 인접한 행들 사이에서 연장되는 일련의 일반적으로 직선 림(limb)들을 갖는다. 덕트(50)의 림들은 덕트(50)가 전지들의 어레이(30)로부터 나오고 다음 쌍의 전지들(30)을 따라 그리고 그 사이에서 연장되는 방향으로 반전되는 굴곡부와 교번한다.
가요성 덕트(50)의 구불구불한 배열은 가요성 덕트(50)가 배터리 팩(21) 내의 모든 전지들(30)과 열 접촉하는 것을 보장한다. 가요성 덕트(50)는 예를 들어, 폴리에스테르, LDPE, LLDPE, HDPE와 같은 플라스틱 재료 또는 임의의 다른 플라스틱 재료 또는 가요성이고 냉각제의 압력을 견딜 수 있는 폴리머-기반 재료의 팽창가능한 리본일 수 있다. 팽창가능한 플라스틱 재료는 본질적으로 전기 절연성이고, 가볍고 글리콜-물 혼합물과 같은 냉각제와 부식되거나 화학적으로 상호작용하지 않기 때문에 유리하다.
가요성 덕트(50)는 입구(52) 및 출구(54)가 피팅된다. 사용시, 입구(52) 및 출구(54)는 펌프(25)에 연결된다. 펌프(25)는 냉각제가 가요성 덕트(50)를 통해 유동하도록 가요성 덕트(50) 내에서 냉각제의 유동을 유도하도록 구성된다. 열 관리 시스템(18) 내의 냉각제를 대기압 초과 압력으로 가압하는 것은 가요성 덕트(50)가 확장되어 원통형 전지들(30)의 모양에 일치하게 한다. 냉각제가 가압되는 방법에 대한 세부사항들은 추가로 아래에 상세히 제공된다.
도 9에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 노즐들은 각각 입구(52) 및 출구(54)에서 가요성 덕트에 연결된다. 노즐들은 냉각제 유체가 열 관리 시스템(18) 주위로 이송될 수 있도록 열 관리 시스템(18)의 냉각제 루프(183)에 부착되도록 구성된다. 입구 및 출구 노즐들에 연결된 가요성 덕트(50)의 영역은 덕트(50)가 과도하게 파열되거나 확장되는 것을 방지하기 위해 보강될 수 있다. 덕트(50)는 더 강한 플라스틱 재료로 덕트(50)의 단부를 제조하거나 가요성 덕트(50)가 입구(52) 또는 출구(54)의 영역에서 확장되는 것을 방지하기 위해 가요성 덕트(50) 위에 재료의 외부 슬리브를 제공함으로써 강화 될 수 있다.
도 9에 도시된 덕트(50)는 단일 루멘 확장가능한 덕트(50)이다. 그러나, 도 10을 참조하면, 열 관리 시스템(18)에서 다중-루멘 확장가능한 덕트(223)가 사용될 수 있다. 다중루멘 덕트(223)는 입구 통로(221) 및 출구 통로(220)를 포함한다. 입구 통로(221) 및 출구 통로(220)는 배터리 팩(21)을 통해 냉각제 유체를 운반하도록 구성된다. 이것은 배터리 팩(21) 전체에 걸쳐 열 에너지의 분포를 개선하기 때문에 대형 배터리 팩들(21)에서 사용하기에 유리하다.
대형 배터리 팩(21)에서 단일 루멘 덕트(50)는 덕트(50)의 하류에 위치된 전지들(30)에 충분한 냉각 또는 가열을 제공하지 못할 수 있다. 이 문제는 배터리 팩(21) 전체에 더 균일한 온도 분포를 제공하는 다중-루멘 덕트(223)의 사용을 통해 극복된다.
다중-루멘 덕트(223)는 단일 루멘 덕트(50)와 동일한 플라스틱 재료로 제조된다. 다중-루멘 덕트(223)를 생성하기 위해, 입구 및 출구 통로(221, 220) 사이에 밀봉부(222)가 생성된다. 밀봉부(222)는 덕트(223)의 플라스틱 재료를 용융시켜 본드를 생성함으로써 생성될 수 있다. 다중-루멘 덕트(223)의 동작은 다중-루멘 덕트가 양방향 냉각제 유동을 갖는 것을 제외하고 단일 루멘 덕트(50)와 실질적으로 동일하다. 다중루멘 덕트(223)는 단일 루멘 덕트(50)와 유사한 방식으로 지지 구조(70) 내에 위치될 수 있다. 또한, 다중-루멘 덕트(223)는 위에서 설명된 바와 같이 냉각제 유체에 의해 가압되어 덕트(223)는 전지들(30)의 표면 모양에 일치하게 확장될 수 있다. 다중-루멘 덕트(223)를 구현하기 위해 통상의 기술자는 매니폴드가 덕트(223)에 대한 입구에 대향하는 덕트(223)의 단부에 위치될 것임을 인식할 것이다. 매니폴드는 냉각제 유체가 입구 통로(221)에서 출구 통로(220)로 전이되도록 하고, 이에 의해 덕트(223)에서 양방향 냉각제 유동을 가능하게 한다.
도 9에 도시된 실시예가 구불구불한 덕트(50)를 사용하지만, 통상의 기술자는 다른 덕트 기하구조들이 가능하고 본 발명을 구현하는 데 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 도 11 및 도 12는 확장된 상태의 복수의 실질적으로 직선, 단일-루멘 덕트들(550)을 도시한다(명확성을 위해 전지들은 도시되지 않음). 개별 직선 덕트(550)는 입구(552)와 출구(554)를 통해 연결되고 인접한 전지들의 행들 사이에 위치되어야 한다. 도 13 및 도 14는 확장된 상태의 복수의 실질적으로 직선, 단일-루멘 덕트들(650)을 도시한다(명확성을 위해 전지들은 도시되지 않음). 각각의 덕트(650)의 제1 루멘은 입구(652) 및 출구(654)에 연결된다. 각각의 덕트(650)의 제2 루멘은 입구(651) 및 출구(653)에 연결된다. 도 15 및 도 16은 확장된 상태의 복수의 실질적으로 직선, 단일-루멘 덕트들(750)을 도시한다(명확성을 위해 전지들은 도시되지 않음). 개별 직선 덕트(750)는 입구(752)와 출구(754)를 통해 연결되고 인접한 전지들의 행들 사이에 위치되어야 한다. 각각의 직선 덕트(750)의 루멘들은 입구 및 출구에 대향하는 덕트(750)의 단부에 연결된다.
도 9의 실시예로 돌아가면, 가요성 덕트(50)가 배터리 팩(21) 내에서 제자리에 그리고 전지들(30) 사이/ 인접한 위치에 배치된 후, 배터리 팩 하우징의 구성이 완료된다. 하우징은 도 17에 도시된 측벽들(90, 92)을 포함하는 4 개의 주변 측벽들에 의해 접합되는 하부 및 상부 크램쉘(20, 80)을 포함한다. 측벽(92)은 가요성 덕트(50)의 입구(52) 및 출구(54)에 대응하는 2 개의 애퍼처들을 포함한다. 입구(52) 및 출구(54)는 가요성 덕트(50)가 열 관리 시스템(18)의 펌프(25) 및 열교환기 (23)에 연결될 수 있도록 측벽(92)의 각각의 애퍼처들과 정렬된다.
통상의 기술자에 의해 인식될 바와 같이, 전지들(30)이 하부 크램쉘(20)의 각각의 소켓들(22)에 삽입되기 전 및/또는 가요성 덕트(50)가 전지들(30) 사이 및 주위에 삽입되기 전에 하나 이상의 측벽들(90, 92)이 하부 크램쉘(20)에 부착되는 것이 가능하다.
상부 크램쉘(80)은 가요성 덕트(50)가 위에서 설명된 바와 같이 포지셔닝된 후 배터리 팩(21) 내의 전지들의 어레이(30)의 상단에 배치된다. 버스 바들(도시되지 않음)은 개별 전지들(30)을 전기적으로 연결하기 위해 상부 크램쉘(80)의 상단의 리세스들(82) 내에 위치된다. 서미스터들(40)에 연결된 위에서 언급된 와이어들(42)은 상부 크램쉘(80)을 통해 공급되고 상부 크램쉘(80)의 상부 표면에 위치된 그루브들(84)을 따라 이어진다.
도 17에 도시된 바와 같이, 가압 매니폴드(100)는 입구(52) 및 출구(54)를 통해 배터리 팩(21)의 가요성 덕트(50)에 커플링된다. 차단 밸브들(101)은 가압 매니폴드(100)와 입구(52) 및 출구(54) 사이에서 작용한다. 가압 매니폴드(100)는 대기보다 높은 압력하에서 가요성 덕트(50)에 공기와 같은 작동 유체를 전달함으로써 가요성 덕트(50)를 가압한다. 예를 들어, 가압 매니폴드(100)는 조립 프로세스 동안 가요성 덕트(50)를 0.5 bar 내지 1.5 bar의 게이지 압력으로 가압한다. 이것은 가요성 덕트(50)가 팽창된 상태로 확장되게 한다.
이러한 방식으로 가요성 덕트(50)를 가압하는 것은 덕트(50)가 확장하여 전지들(30)의 모양 및 특히 전지들(30)의 행들의 물결 모양에 일치하게 한다. 가요성 덕트(50)의 압력은 가요성 덕트(50)에 누출이 없음을 보장하기 위해 제조 프로세스 동안 미리규정된 기간 동안 모니터링될 수 있다.
조립 동안, 차단 밸브들(101)은 폐쇄될 수 있고 가압 매니폴드(100)는 배터리 팩(21)으로부터 제거될 수 있다. 이는 팽창된 상태의 가요성 덕트(50)와 함께 배터리 팩(21)의 조립이 계속될 수 있기 때문에 유리하다. 가요성 덕트(50)가 확장된 상태에 있을 때 배터리 팩(21)을 배선하고 배터리 팩(21)에 포팅 재료를 추가하는 단계들을 수행하는 것이 유리하다. 이는 가요성 덕트(50)가 확장된 상태(아래에 논의되는 바와 같이)에 있을 때 전지들(30)을 제자리에 고정시키고 가요성 덕트(50)가 확장되지 않은 상태에 있을 때 포팅 재료를 추가하면 덕트(50)가 후속적으로 팽창되는 것을 방지하기 때문이다.
도 18은 전지들(30)의 인접한 행들 사이에서 배터리 팩(21)에 삽입될 때 팽창되지 않은 상태의 가요성 덕트(50)를 도시한다. 가요성 덕트(50)는 가요성 덕트(50)와 각각의 전지(30) 사이의 접촉 영역이 상대적으로 작고, 본질적으로 전지의 표면에 접하고, 큰 원주 확장없이 각각의 전지(30)를 따라 좁은 밴드로 연장되도록 확장되지 않은 상태에 있을 때 실질적으로 직선이다.
도 19는 확장된 동작 상태의 가요성 덕트(50)를 도시한다. 가요성 덕트(50)가 사용 전에 작동 유체에 의해, 또는 사용 동안 냉각제에 의해 가압될 때, 가요성 덕트(50)는 확장되고 전지 행들(30)의 물결 모양에 일치한다. 도 19에서 볼 수 있는 바와 같이, 확장된 상태에 있을 때, 가요성 덕트(50)는 개별 전지들(30)의 모양에 보다 완전히 일치하여 덕트(50)와 전지들(30) 사이의 열 접촉 영역을 증가시킨다. 덕트(50) 내의 가압된 냉각제는 또한 덕트와 각각의 개별 전지(30) 사이의 접촉 압력을 증가시켜, 그 사이의 열적 커플링을 향상시킨다. 또한, 자연 유동 충돌은 덕트(50) 내에서 냉각제 유동의 강한 혼합을 야기한다.
도 20은 지지 구조(70)의 가이드 경로(74) 내에 위치된 팽창되지 않은 상태의 가요성 덕트(50)를 도시한다. 도 21은 리세스들(76) 내에 있는 가요성 덕트의 여유를 도시한다. 도 22는 지지 구조(70) 및 전지들(30) 내에서 팽창된 상태의 가요성 덕트(50)를 도시한다.
가요성 덕트(50)가 먼저 가이드 경로(74) 내에 위치될 때, 도 21에 도시된 바와 같이 리세스들(76) 내에 가요성 덕트(50)를 위치시키기 위해 세장형 로드(rod) 또는 도구(120)가 사용될 수 있다. 세장형 로드 또는 도구(120)는 가요성 덕트(50)에 여유를 생성하도록 리세스들(76) 내에서 가요성 덕트(50)를 민다. 특히, 가요성 덕트(50)가 팽창되어, 장력을 받을 때, 가요성 덕트(50)가 꼬이지 않도록 반경형 에지들(75)의 영역에 여유가 생성된다.
덕트(50)가 팽창된 상태에 있을 때, 가요성 덕트(50)의 장력은 덕트(50)의 임의의 과도한 여유를 차지한다. 덕트(50)에 과도한 여유가 있기 때문에, 가요성 덕트(50)는 도 22에 도시된 바와 같이 리세스된 노치들(76)로부터 당겨진다. 팽창된 상태에서 덕트(50)는 내부 지지면(77)상의 반경형 에지들(75)과 접촉하고 세장형면(73)에 의해 지지된다.
지지 구조(70)는 어레이의 각각의 행의 단부 상에 포지셔닝된 전지들(130)이 어레이의 중심에 위치된 전지들(30)과 실질적으로 동일한 덕트(50)와 열 접촉 영역을 가지도록 치수화된다. 이는 배터리 팩(21) 전체에 걸쳐 보다 균일한 온도 분포를 촉진하여 배터리 팩(21)의 수명을 연장시키기 때문에 유리하다. 지지 구조(70)는 덕트(50)가 어레이 내에 위치된 전지들(30)과 실질적으로 동일한 단부 전지들(130)과의 열 접촉 영역을 갖도록 덕트(50)와의 열 접촉으로부터 단부 전지(130)의 일부를 차폐하거나 열적으로 절연함으로써 이를 달성한다.
도 20 내지 도 22에 도시된 바와 같이, 외부 지지면(78)의 단부들은 단부 전지들(130)에 인접하여, 가이드 경로(74)의 외부 굴곡부가 덕트(50)가 어레이로부터 나오는 지점으로부터 덕트(50)가 어레이에 재-진입하는 지점까지 외부 지지면(78)에 의해 정의된다. 외부 지지면(78)은 단부 전지(130)가 덕트(50)와 증가된 열 접촉을 갖게 하는 전지들(130)의 외부 주위를 감싸도록 덕트(50)가 확장되는 것을 방지한다.
유사하게, 내부 지지면(77)의 한 단부는 단부 전지(130)에 접한다. 단부 전지(130)와 접하는 내부 지지면(77)의 단부는 덕트(50)에 대한 지지를 제공하여 덕트(50)가 돌출되어 단부 전지(130) 주위를 감싸는 것을 방지한다. 내부 지지면(77)의 다른 단부 부분(110)은 단부 부분(110)이 단열 장벽을 형성하기 위해 단부 전지(130) 주위를 감싸도록 다른 단부 전지(130)의 표면을 부분적으로 따른다. 내부 지지면(77)의 단부 부분(110)은 덕트(50)가 가이드 경로(74) 내에 위치될 때 덕트(50)가 단부 부분(110)의 영역에서 단부 전지(130)와 접촉하지 않도록 단부 전지(130)의 외부 표면 주위를 부분적으로 감싼다. 통상의 기술자는 부분(110)이 단부 전지(130) 주위로 연장되는 정도가 덕트(50)와 전지들(30) 사이의 열 접촉에 의존한다는 것을 이해할 것이다. 부분(110)은 덕트(50)가 어레이 내의 임의의 다른 전지(30)보다 단부 전지(130)와 더 많이 접촉하지 않는 것을 충분히 보장하도록 단부 전지(130) 주위로 연장된다.
지지 구조(70)는 덕트(50)가 어레이로부터 나오고 방향을 반전시키는 지점들에서 덕트(50)의 꼬임을 완화시키는 역할을 한다. 가이드 경로(74)는 덕트(50)가 어레이로부터 나오는 지점으로부터 덕트(50)가 어레이에 재진입하는 지점까지 따르도록 덕트(50)를 위한 채널을 규정한다. 가이드 경로(74)는 덕트(50)의 과도한 불룩함 및/또는 붕괴를 방지한다.
하부 및 상부 크램쉘들(20, 80) 상의 소켓들(22)은 개별 전지들(30)에 관련하여 틈새 끼워맞춤을 갖도록 치수화된다. 이것은 자동화된 제조 프로세스에 의해 개별 전지들(30)이 소켓들(22)에 쉽게 위치될 수 있도록 하기 때문에 유리하다; 그러나, 전지들(30)은 예를 들어 전지들(30)을 버스 바들에 연결하기 위해 초음파 와이어 본딩을 사용하여 배터리 팩(21)을 배선할 때 바람직하지 않은 각각의 소켓들(22) 내에서 이동할 수 있다. 이는 전지들 및 버스 바들 둘 모두가 자신들 사이에 고품질 전기 연결을 생성하기 위해 초음파 와이어 본딩 프로세스 동안 기계적으로 단단하여야 하기 때문이다. 이 문제를 극복하기 위해, 개별 전지들(30)과 하부 및 상부 크램쉘들(20, 80) 사이의 강한 기계적 연결을 보장하기 위해 개별 전지들(30)을 제자리에 접착하는 것이 종래 기술에 알려져 있다. 그러나, 이것은 제조 프로세스에서 추가적이고 비효율적인 단계이다. 가요성 덕트(50)를 가압하는 것은 가요성 덕트(50)가 확장되어 개별 전지들(30)의 모양에 일치할 뿐만 아니라 소켓들(22) 내의 제자리에 개별 전지들(30)을 고정시키게 한다. 따라서 팽창된 가요성 덕트(50)는 전지(들)와 버스바(들) 사이에 전기적 연결을 형성하면서 전지(들)(30)를 제자리에 고정시키는 데 사용될 수 있다. 팽창된 덕트(50)를 사용하여 전지들(30)을 제자리에 고정하는 것은 크램쉘(20, 80)상의 포지션에 개별 전지들(30)을 접착하기 위한 요건을 무효화한다.
개별 전지들(30)은 자동화된 초음파 와이어 본딩 프로세스를 통해 배선될 수 있다. 이 프로세스는 하부 및 상부 크램쉘(20, 80) 둘 모두에서 수행된다. 통상의 기술자는 개별 전지들(30)이 임의의 다른 적합한 프로세스를 통해 배선될 수 있음을 이해할 것이다.
또한, 제어 모듈(27)은 조립 프로세스의 이 단계에서 버스 바들에 연결된다. 배터리 팩(21)의 인-라인 전자 테스트(in-line electronic test)는 조립 프로세스를 계속하기 전에 연결들이 올바르게 생성되었는지 보장하기 위한 품질 보증 단계로서 조립 프로세스의 이 단계에서 수행될 수 있다. 이는 가요성 덕트(50)가 확장된 상태에서 와이어 본딩 프로세스를 수행하여 개별 전지들(30)이 제자리에 고정되어 본드의 품질이 향상되므로 바람직하다. 또한, 포팅 재료는 알루미늄 초음파 와이어 본드들을 외부 습기로부터 보호하여 와이어 본드들의 갈바닉 부식을 방지하는 역할을 한다.
배터리 팩(21)의 제조는 덕트(50)의 적어도 일부에 대한 지지부로서 작용하도록 적응된 포팅 재료를 제공하는 것을 포함한다. 바람직한 실시예에서 포팅 재료는 열경화성 플라스틱, 실리콘 고무 겔 또는 에폭시 수지와 같은 다른 포팅 재료가 사용될 수 있지만 확장가능한 폴리우레탄 폼과 같은 팽창성 폼이다.
포팅 재료는 하우징이 완료되고 와이어 본딩이 완료된 후 액체 또는 점성 상태에서 배터리 팩(21)에 주입된다. 팽창성 폼과 같은 확장가능한 포팅 재료의 경우, 확장가능한 포팅 재료는 확장하여 배터리 팩(21) 내의 갭들을 충전하고, 따라서 가요성 덕트(50) 및 개별 전지들(30)은 포팅 재료로 둘러싸인다. 완전히 확장되면, 배터리 팩 하우징 내의 체적은 전지들(30), 지지 구조들(70), 덕트(50) 및 포팅 수단으로 실질적으로 충전된다. 확장가능한 포팅 재료는 액체 상태에서 확장되고 주입 후 강성으로 설정되어 배터리 팩(21)을 통한 열 전파를 완화 및/또는 방지할 수 있다. 확장가능한 포팅 재료는 예를 들어 최대 1000℃와 같은 고온에 노출될 때 탄화되도록 설계된 폴리우레탄 폼일 수 있다. 이는 순수 탄소의 탄화 층이 우수한 단열재로 작용하여 배터리 팩(21)을 통한 고 에너지 열 이벤트의 전파를 방지하기 때문에 유리하다. 이런 방식으로 배터리 팩은 난연성이다.
덕트(50)가 팽창된 상태에 있을 때 포팅 재료는 배터리 팩(21)에 주입된다. 포팅 재료는 팽창된 덕트(50) 주위에 강성으로 설정되어 덕트(50)가 위치되는 포팅 재료 내에 공동이 제공된다. 공동은 덕트(50)에 전체 외부 지지를 제공하여 덕트(50)가 과도하게 팽창 및/또는 파열되는 것을 방지한다. 포팅 재료는 덕트(50)를 제자리에 고정시키기 위해 실질적으로 강성으로 설정되고 또한 덕트(50)에 기계적 지지를 제공하기 위해 덕트(50)에 대한 외부 지지부로서 작용한다. 폴리우레탄 폼은 수성 또는 실리콘 겔들과 같은 다른 포팅 재료들과 비교할 때 공기 함량이 높아 매우 가볍기 때문에 유리하다.
포팅 재료가 경화되거나 굳어진 후, 덕트(50) 또는 각각의 덕트(50)는 포팅 재료에 대한 접착을 통해 개방 구성으로 유지된다. 이것은 작동 유체가 덕트(50)의 내부로부터 제거될 수 있고 덕트가 여전히 개방 구성으로 있을 것임을 의미한다.
배터리 팩(21) 내에 폼과 같은 포팅 재료의 사용은 또한 배터리 팩(21)을 외부 환경으로부터 열적으로 절연시킨다. 이것은 열 관리 시스템(18)이 배터리 팩(21)의 두드러진 열 조절기(외부 환경 요인들과는 대조적으로)가 열 관리 시스템(18)의 전반적인 제어를 더 쉽게 만드는 것을 의미하기 때문에 유리하다. 배터리 팩(21)을 절연하는 것은 배터리 팩(21)의 열 "내구성"을 향상시켜, 배터리 팩(21)이 지속적인 저온 또는 고온 환경 조건들에서 사용되지 않을 때 배터리 팩(21)의 간헐적인 냉각에 대한 요건을 감소시킨다. 배터리 팩(21) 내의 폼은 또한 배터리 팩(21)의 내부 구성요소들에 증가된 진동 및 기계적 보호를 제공한다. 폼은 강성으로 설정되어 팩(21) 내의 포지션에 전지들(30)과 가요성 덕트(50)를 고정시키는 역할을 한다. 이것은 배터리 팩(21)이 지속적인 진동 기간들에 영향을 받는 자동차 애플리케이션에서 특히 유리하다.
도 23은 포팅 재료가 주입된 배터리 팩(21)을 도시한다. 포팅 재료는 노즐들(130)을 사용하는 크램쉘(20, 80)의 홀들을 통해 자동화된 프로세스에 의해 배터리 팩(21)에 주입될 수 있다. 포팅 재료는 액체로서 배터리 팩(21)으로 유동하여 배터리 팩(21)에서 넘쳐난다. 이어서, 포팅 재료는 시간이 지남에 따라 강성으로 설정된다. 도 23에 도시된 바와 같이 제어 모듈(27)은 측벽(92)에 고정되고 제어 모듈(27)은 또한 포팅 재료로 가득찬다.
배터리 팩(21)이 포팅 재료로 가득차면, 하부 및 상부 크램쉘들(20, 80)은 외부 케이싱으로 덮여진다. 외부 케이싱은 포팅 재료가 강성으로 설정되기 전에 배터리 팩(21) 상에 포지셔닝되는 시트 금속 구성요소이다. 포팅 재료로서 팽창성 폼의 경우, 폼이 설정됨에 따라 확장되고 따라서 외부 케이싱과 접촉한다. 포팅 재료는 일단 경화되면 접착제로 작용하여 외부 케이싱을 배터리 팩(21)에 고정시킨다. 일 실시예에서, 외부 케이싱은 외부 파스너들 및 포팅 재료에 의해 배터리 팩(21)에 고정된다. 다른 실시예에서, 외부 케이싱은 굳어짐/설정/ 경화 포팅 재료에 의해서만 배터리 팩(21)에 고정된다.
도 24 내지 도 26은 열 관리 시스템(18)의 개략도들을 도시한다. 열 관리 시스템(18)은 저장소(150), 펌프(25), 열교환기(23), 배터리 팩(21), 3-방향 제어 밸브(180) 및 제어 모듈(27)에 연결된 스위칭 모듈(181)을 포함한다. 저장소(150)는 냉각제 유체(151)를 저장하도록 구성된 탱크이다. 저장소(150)는 저장소(150) 내의 유체가 냉각제 루프(183)에 도입되어 냉각제 루프(183)를 가압할 수 있도록 냉각제 루프(183)와 선택적으로 유체 연통한다. 유사하게, 냉각제 유체는 필요하다면 냉각제 루프(183)의 압력을 감소시키기 위해 냉각제 루프(183)로부터 제거될 수 있다. 저장소(150)는 또한 대기와 연통되어 저장소(150)가 가득 차지 않을 때 공기 포켓(152)이 냉각제(151) 위에 위치될 수 있다. 저장소(150) 내의 냉각제(151)의 레벨이 임계 값 아래로 떨어지면, 배터리 팩(21)의 사용자는 저장소(150)에 냉각제(151)를 도입할 수 있다.
3-방향 제어 밸브(180)는 냉각제 루프(183)와 유체 연통하는 저장소(150)와 선택적으로 맞물리도록 제어가능하다. 또한, 3-방향 제어 밸브(180)는 배터리 팩(21)이 턴 오프될 때 냉각제가 냉각제 루프(183) 주위로 유동할 수 없도록 냉각제 루프(183)를 폐쇄하도록 작동될 수 있다.
저장소(150)는 부분적으로 냉각제 유체(151)로 충전되고 부분적으로 공기(152)로 충전된다.
저장소(150)는 냉각제 루프(183) 내의 냉각제가 저장소(150) 내의 냉각제(151)의 압력에 의해 정수압 하에 있도록 냉각제 루프(183) 위에 수직으로 유체 연통하도록 포지셔닝될 수 있다. 대안적으로, 저장소(150) 내의 공기(152)는 힘이 저장소(150) 내의 냉각제(151)에 가해지도록 가압될 수 있고, 이는 냉각제 루프 내의 냉각제에 힘을 가한다.
도 24는 3-방향 제어 밸브(180)가 폐쇄된 비-동작 상태의 열 관리 시스템(18)을 도시한다. 비-동작 상태에 있을 때 제어 밸브(180)는 폐쇄되고 폐쇄된 냉각제 루프 내의 압력은 원하는 동작 압력으로 유지된다.
도 25를 참조하면, 열 관리 시스템(18)은 가압 사이클을 실행함으로써 가압될 수 있고, 여기서 저장소(150)로부터의 냉각제 유체(151)는 루프(183) 내의 냉각제의 압력을 증가시키기 위해 냉각제 루프(183)로 유입된다. 가압 사이클을 실행할 때, 스위칭 모듈(181)은 저장소(150)와 펌프 (25) 사이에 유동 경로가 제공되도록 3 개의 밸브들 중 2 개를 개방하도록 3-방향 제어 밸브(180)를 작동시킨다. 제3 밸브 부재는 폐쇄되어 냉각수 루프(183)가 차단된다.
동시에, 펌프(25)는 유체가 저장소(150)로부터 냉각제 루프(183)로 유입되도록 펌프(25)를 가로질러 압력 차이를 생성하도록 구동된다. 저장소(150)로부터 냉각제 루프(183)로 유체(151)를 유입하는 것은 냉각제 루프(183) 내의 압력이 증가하게 한다. 저장소들을 통해 덕트에 압력을 인가하는 것은 자체-지지를 가능하게 하고 따라서 펌프로부터의 임의의 유체 역학적 압력 손실을 제거하고 냉각 시스템 내의 압력 강하를 크게 감소시킨다.
압력 센서(도시되지 않음)는 가압 사이클 동안 냉각제 루프(183) 내의 압력을 모니터링하고 냉각제 루프(183) 내의 원하는 압력이 달성될 때 제어 밸브(180)가 작동되어 저장소(150)와 냉각제 루프 사이의 경로가 폐쇄된다. 동시에 펌프(25)는 열 관리 시스템(18)이 비-동작 상태로 스위칭되도록 구동되는 동안 정지될 수 있거나 또는 대안적으로 펌프(25)가 구동될 수 있고 제어 밸브(180)가 동작 상태에서 열 관리 시스템(18)을 동작시키도록 작동될 수 있다.
도 26은 동작 상태의 열 관리 시스템(18)을 도시한다. 동작 상태에서 제어 밸브(180)는 냉각제 유체가 냉각제 루프(183)를 통해 순환되게 하도록 제어 밸브(180)를 가로질러 유동 경로가 제공되도록 작동된다. 동작 상태에 있을 때 저장소(150)는 냉각제 루프(183)와 유체 연통하지 않는다. 제어 모듈(27)은 냉각제 압력이 원하는 동작 압력으로 유지되는 것을 보장하기 위해 냉각제 루프(183) 내의 냉각제의 압력을 모니터링할 수 있다. 냉각제 루프(183) 내의 압력이 임계 값 아래로 떨어지면 위에서 설명된 바와 같이 냉각제 루프 183) 내의 압력을 목표 동작 압력으로 증가시키기 위해 가압 사이클이 실행될 수 있다. 예를 들어 목표 동작 압력은 0.5 bar 내지 1.5 bar일 수 있다.
도 27은 열 관리 시스템(18)의 대안적인 실시예를 도시한다. 도 27에 도시된 바와 같이, 열 관리 시스템(18)은 저장소(150)로부터 상류에 포지셔닝된 양방향 제어 밸브(182)를 포함한다. 펌프(210)는 저장소(150)와 양방향 제어 밸브(182) 사이에 포지셔닝된다. 펌프(210)는 양방향 제어 밸브(182)가 개방 포지션에 있을 때 대기로부터 저장소(150)로 공기를 펌핑함으로써 저장소(150)를 가압하도록 구성된다. 양방향 제어 밸브(182)는 저장소(150) 내의 원하는 압력이 달성될 때 폐쇄될 수 있다. 이것은 저장소(150) 내의 압력이 유지되는 것을 보장한다.
도 27에 예시된 저장소(150)는 냉각제 루프(183)의 압력이 저장소(150) 내의 공기(152)의 압력에 의해 유지될 수 있도록 냉각제 루프(183)와 일정하게 유체 연통한다. 저장소(150) 내의 압력이 모니터링될 수 있고, 저장소 내의 압력이 목표 동작 값 아래로 떨어질 때 밸브(182) 및 펌프(210)가 작동되어 저장소(150)를 가압하고 따라서 냉각제 루프(183)를 목표 동작 압력으로 가압할 수 있다.
도면들 및 처음에 도 28 내지 29를 참조하면, 열 소스(30)의 표면 영역의 적어도 일부와 맞물릴 수 있는 덕트(230)가 도시되어 있고, 덕트(230)는 덕트(230)와 열 소스(30) 사이에서 입구(52) 이후의 제1 맞물림 포지션으로부터 출구(54) 이후의 적어도 하나의 최종 맞물림 포지션까지 열 소스(30)의 길이의 모두 또는 일부를 따라 열 소스(30)의 표면 영역의 적어도 일부를 따르고 맞물리게 연장가능하다. 열 전달 유체는 덕트(230)의 내부 도관을 따라 유동하여 덕트(230)와 열 소스(30)의 맞물림가능한 표면 영역들 주위의 열 전달 유체를 통해 덕트(230)와 열 소스(30) 사이에서 열이 전달될 수 있다. 덕트(230)는 덕트(230)와 열 소스(30)의 맞물림가능한 표면 영역들 사이의 열 전달 유체를 통한 가변 열 전달을 허용하도록 적응된다.
덕트(230)는 덕트(230)의 길이를 따라 덕트(230)와 열 소스(30)의 맞물림가능한 표면 영역들 사이의 열 전달 유체를 통한 가변 열 전달을 허용하도록 적응된다.
유리하게, 덕트(230)의 길이를 따라 덕트(230)와 열 소스(30)의 맞물림가능한 표면 영역들 사이의 열 전달 유체를 통한 가변 열 전달을 허용하도록 적응된 덕트(230)는 덕트(230)의 길이를 따라 열 전달 유체가 유동할 때 진행중인 열 전달의 결과로서 열 전달 유체의 온도의 변동을 보상한다. 이것은 유체 온도와 같은 다른 파라미터들이 변함에 따라 덕트(230)의 길이를 따라 열 전달 유체를 통해 열 소스(30)와 덕트(230) 사이의 균일한 열 전달을 보장한다. 열 소스(30)는 복수의 전지들(30)을 포함하는 배터리 팩(21)을 포함한다. 덕트(230)는 가요성 덕트이지만 일부 실시예들에서 덕트(230)는 강성 덕트이다. 이들 강성 실시예들에서, 덕트(230)는 금속 또는 금속 합금 덕트이다.
덕트(230)는 덕트(230)와 열 소스(30) 사이에서 열이 교환될 수 있도록 열 소스(30)의 표면에 근접하게 포지셔닝된다. 덕트(230)는 덕트(230)와 전지들(30) 사이에서 열이 교환될 수 있도록 전지들(30)의 표면에 근접하게 포지셔닝된다.
덕트(230)가 가요성 덕트(50/230)인 일 실시예에서, 덕트(50/230)의 적어도 일부에 대한 지지부로서 작용하도록 적응된 도 30을 참조하는 포팅 재료(231)가 제공된다. 유리하게 가요성 덕트(50/230)는 가요성 덕트(50/230)가 과도하게 팽창 및/또는 파열되는 것을 방지하도록 작용하는 포팅 재료(231)에 의해 보강되는 동안 팩(21) 내의 열 소스/전지들(30)의 표면 모양에 밀접하게 일치할 수 있다.
덕트(230)는 열 전달 유체를 통해 맞물림가능한 접촉 표면들에서 열 소스/ 전지(30)와 덕트(230) 사이에 열 에너지를 전달하기 위해 입구(52)로부터 출구(54)로 열 전달 유체를 운반하도록 구성되고, 여기서 입구(52)에서 덕트(230)의 열 저항은 출구(54)에서 덕트의 열 저항보다 높다. 이것은 덕트(230)의 길이를 따라 덕트(230)의 열 저항을 변화시키는 것이 열 소스/배터리 팩(21)에 걸쳐 균일한 온도 분포를 촉진하기 때문에 유리하다. 특히, 덕트(230)의 입구에서 더 높은 열 저항을 갖는 것은 열 전달 유체와 열 소스/전지들(30) 사이의 온도 차이가 최고인 입구(52)에 근접하게 위치된 열 소스/전지들(30)의 과냉각 또는 과열을 방지한다. 덕트(230)의 열 저항은 덕트(230)의 길이를 따라 선형 또는 비선형으로 가변되어, 열 전달 유체와 열 소스/전지들(30) 사이의 온도 차이가 또한 감소함에 따라 덕트(230)의 열 저항이 감소하고, 이에 의해 덕트(230)의 길이를 따라 균일한 전력 소실을 촉진한다.
일 실시예에서, 덕트(230)의 벽 두께는 도 29에 예시된 바와 같이 출구(54)에 비해 입구(52)에서 더 두꺼울 수 있고, 여기서 출구 및 입구에서 덕트(230)를 통과하는 수직 단면은 덕트 벽 두께의 변동을 예시하게 도시된다. 이것은 벽 두께를 증가시키는 것이 또한 덕트(230)의 열 저항을 증가시키기 때문에 유리하다. 이와 같이 입구에서 덕트(230)의 벽 두께를 증가시키는 것은 또한 덕트(230)의 열 저항을 증가시킨다.
일 실시예에서, 덕트의 벽 두께는 덕트(230)의 길이방향 길이를 따라 선형 적으로 가변할 수 있다. 다른 실시예에서, 덕트(230)의 벽 두께는 덕트(230)의 길이방향 길이를 따라 비-선형 적으로 가변할 수 있다. 덕트(230)의 길이방향 길이를 따라 덕트(230)의 벽 두께를 가변시키는 것은 그 길이방향 길이를 따라 덕트(230)의 열 저항을 가변시키는 효과를 갖는다.
일 실시예에서, 벽 두께는 덕트(230)의 길이방향 길이를 따라 실질적으로 일정한 전력 소실이 달성되도록 가변될 수 있다. 이것은 전지들(30)의 어레이에 걸쳐 균일 온도 분포를 촉진시키기 때문에 유리하다. 이것은 덕트(230)의 길이를 따라 열 저항을 증가시킴으로써 달성될 수 있다.
도 31에는 일반적으로 번호(2000)로 표시된 배터리 팩의 개략적인 단면이 도시되어 있다. 배터리 팩(2000)은 전지들(2020)을 열적으로 관리하는 데 사용되는 덕트(2011)를 포함한다. 덕트(2011)는 매트릭스(2002) 및 충전제(2003)를 포함하는 가요성 덕트 재료(2001)를 포함한다. 가요성 덕트는 공기, 물 또는 물-글리콜 혼합물과 같은 유체(2004)를 운반한다.
덕트 재료(2001)를 통해 전지들(2020)과 냉각제(204) 사이에서 열이 전달된다.
매트릭스(2002)는 가요성 플라스틱 또는 폴리머 재료이고, 이 경우 LDPE, LLDPE, HDPE 폴리에스테르, 실리콘 또는 고무이다. 매트릭스(2002)는 전기적으로 절연되어 있다. 매트릭스(2002)는 15 Wm-1K-1 미만, 이상적으로 10 Wm-1K-1, 5 Wm-1K-1 및/또는 1 Wm-1K-1 미만의 열전도도를 갖는다.
충전제(2003)는 충전제 재료의 입자들을 포함하고 이들은 매트릭스(2002) 전체에 분산되어 있다. 바람직한 실시예에서, 충전제(2003)는 NANOCYL (RTM) NC7000 시리즈 얇은 다중벽 탄소 나노튜브들을 포함하지만, 탄소, 카본 블랙, 흑연, 흑연 소판 그래핀, 다중-벽 탄소 나노튜브들 또는 단일-벽 탄소 나노튜브들 같은 탄소-기반 충전제 재료 또는 산화 알루미늄, 탄화 규소, 질화 붕소, 질산 규소, 알루미나, 질화 알루미늄 또는 산화 아연과 같은 세라믹 충전제 재료 같은 임의의 적합한 충전제 재료가 사용될 수 있다. 충전제 재료의 입자들은 1-10 nm의 직경 및 0.5-5 nm의 길이를 갖는 세장형 및 튜브형일 수 있다. 대안적으로 충전제의 입자들은 1 nm 내지 10 nm의 평균 직경을 갖는 실질적으로 구형일 수 있다.
충전제(2003)의 열 전도도는 매트릭스(2002)의 열 전도도보다 크다. 이상적으로 충전제(2003)는 10 Wm-1K-1 초과 및/또는 100 Wm-1K-1 초과의 열 전도도를 갖는다. 덕트 재료(2001)는 25 부피% 미만의 충전제(2003), 이상적으로 5-18 부피%의 충전제 또는 15 부피%의 충전제(2003)를 포함한다. 제한된 양의 충전제(2003)를 매트릭스에 통합하는 것은 낮은 전기 전도도와 유리한 기계적 특성(즉, 팽창가능한 덕트에 적합한 가요성)을 유지하면서 증가된 열 전도도를 제공한다.
이 예에서, 덕트 재료(2001)는 실온에서 0.33 Wm-1K-1 초과, 이상적으로 1 Wm-1K-1 및/또는 10 Wm-1K-1 초과의 열 전도도를 갖는다. 이는 덕트 재료(2011)를 통한 열 전달이 기존의 폴리머 덕트보다 우수하다는 것을 의미한다. 덕트 재료(2001) 자체는 전기 절연성인데, 이는 덕트 재료(2001)의 전기 전도도가 비-전도성 매트릭스(2002)의 전기적 특성에 의해 지배되기 때문이다. 덕트 재료/매트릭스의 전기 절연 특성은 금속 덕트와 비교할 때 단락 위험을 크게 감소시킨다.
덕트(2011)는 전지(2020)의 벽과 접촉하지 않는 장소들에서 덕트(2011)를 보강하도록 작용하는 포팅 재료(2005)로 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 매트릭스(2002) 내에 충전제(2003)의 통합은 특히 고농도의 충전제(2003)에 대해 덕트(2001)의 기계적 특성을 변경할 수 있다. 이것이 기계적 강도의 감소로 이어지는 경우, 보강 재료(5)는 이러한 효과들을 상쇄하는 데 사용될 수 있다. 이 실시예는 대안으로서 또는 가변 벽 두께 실시예와 조합하여 사용될 수 있다.
이제 도 32 및 도 33을 참조하면, 외부 가이드 형성부, 내부 가이드 형성부 및 그 사이의 가이드 채널(1205)을 갖는 추가 지지 구조(1201)가 도시되어 있다. 지지 구조(1201)는 덕트가 방향을 변경할 때 가요성 덕트가 꼬임, 부품 및/또는 파열되는 것을 방지하는 데 사용된다. 지지 구조(1201)는 어레이의 각각의 행의 단부에 포지셔닝된 전지들이 어레이의 중심에 위치된 전지들과 실질적으로 동일한 덕트와의 열 접촉 영역을 갖도록 치수화된다. 지지 구조(1201)는 덕트와의 열 접촉으로부터 단부 전지들의 일부를 차폐 또는 단열함으로써 이를 달성한다.
지지 구조(1201)의 외부 가이드 형성부는 외부 업스탠드(upstand)(1208)와 외부 팩 케이싱의 벽(1210)의 내부 표면(1211)의 조합에 의해 형성된다(도 33 참조). 외부 업스탠드(1208)는 전지들의 어레이의 에지에서 적어도 하나의 전지에 인접하게 위치된다. 외부 업스탠드(1208)는 전지 측벽의 모양과 매칭하도록 만곡된 전지-인접면(1235) 및 전지-인접면(1235)으로부터 연장되는 외부 지지면(1209)을 갖는 블록이다. 외부 업스탠드(1208)는 배터리 팩 하우징(1236)의 하부 크램쉘(1237)과 일체로 형성된다.
팽창가능한 덕트는 업스탠드(1208)의 외부 지지면(1209) 및 배터리 팩 벽(1210)의 내부 표면(1211) 둘 모두에 의해 지지된다. 외부 가이드 형성부의 일부로서 배터리 팩 벽(1210)을 사용하는 것은 더 큰 지지 구조에 대한 필요성을 제거하고 따라서 배터리 팩의 폭을 감소시키고 내부의 데드-스페이스(dead-space)를 제거한다.
지지 구조(1201)의 내부 가이드 형성부는 내부 업스탠드(1206a)와 인터페이스 부분(1206b)의 조합에 의해 형성된다. 내부 업스탠드(1206a)는 외부 업스탠드(1208)와 구성이 유사하다. 내부 업스탠드(1206a)는 배터리 팩 하우징(1238)의 하부 크램쉘(1237)과 일체로 형성된 블록이다. 내부 업스탠드(1206a)는 외부 가이드 형성 부에 대해 가이드 채널(1205)의 대향 측면에 위치된다. 내부 업스탠드(1206a)는 2 개의 인접하고 이격된 전지들에 인접하기 위한 2 개의 만곡된 전지-인접면들(1239a, 1239b)을 갖는다.
내부 업스탠드(1206a)는 전지-인접면들(1239a, 1239b) 사이에서 연장되는 내부 지지면(1207)을 더 갖는다. 내부 업스탠드(1206a)의 내부 지지면(1207)은 실질적으로 평평한 부분과, 실질적으로 평평한 부분으로부터 전지의 측벽을 향해 연장되는 실질적으로 만곡된 부분을 갖는다. 내부 지지면(1207)은 덕트에 대한 지지를 제공함으로써 덕트가 부풀고 단부 전지 주위를 감싸는 것을 방지한다.
인터페이스 부분(1206b)은 전지의 표면에 부착된 압축가능한 패드에 의해 제공된다. 구체적으로, 패드는 개방-전지 폴리 염화 비닐(PVC) 테이프이다. 대안으로, 폐쇄-전지 PVC 또는 폴리우레탄 폼 또는 다른 적합한 압축가능한 재료가 사용될 수 있다. 사용시, 내부 가이드 형성부의 인터페이스 부분(1206b)은 제1 부분(1206a)의 전지-인접면(1239a)으로부터 그리고 그것이 부착되는 전지의 부분 주위로 연장된다. 가요성 덕트(도시되지 않음)가 팽창될 때, 내부 가이드 형성부의 내부 업스탠드(1206a) 및 인터페이스 부분(1206b)을 가압한다.
인터페이스 부분(1206b)은 덕트와 그것이 부착되는 주변 전지 사이의 열 접촉을 제한하는 데 사용된다. 인터페이스 부분(1206b)은 덕트가 가이드 경로(1205) 내에 위치될 때 덕트가 인터페이스 부분(1206b)의 영역에서 단부 전지와 접촉하지 않도록 단부 전지의 외부 표면 주위를 감싼다. 통상의 기술자는 인터페이스 부분(1206b)이 단부 전지 주위로 연장되는 정도가 덕트와 전지들 사이에 요구된 열 접촉에 의존한다는 것을 이해할 것이다. 인터페이스 부분(1206b)은 덕트가 어레이 내의 임의의 다른 전지보다 단부 전지와 더 많이 접촉하지 않는 것을 보장하기에 충분히 단부 전지 주위로 연장되어야 한다.
통상의 기술자는 내부 업스탠드(1206a) 및 인터페이스 부분(1206b) 둘 모두가 압축가능할 수 있고/있거나 서로 일체로 연결될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 인터페이스 부분(1206b)은 하부 크램쉘(1237)과 일체로 형성될 수 있다.
이제 도 34 내지 도 36을 참조하면, 일반적으로 참조 번호(1301)로 표시된 지지 구조의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예의 지지 구조(1301)는 외부 가이드 형성부(1308), 내부 가이드 형성 부(1306) 및 그 사이에 가이드 채널(1305)을 갖는다. 지지 구조(1301)는 덕트가 방향을 변경할 때 가요성 덕트가 꼬임, 부품 및/또는 파열되는 것을 방지하는 데 사용된다. 지지 구조(1301)는 어레이의 각각의 행의 단부에 포지셔닝된 전지들이 어레이의 중심에 위치된 전지들과 실질적으로 동일한 덕트와의 열 접촉 영역을 갖도록 치수화된다. 지지 구조(1301)는 덕트와의 열 접촉으로부터 단부 전지들의 일부를 차폐 또는 단열함으로써 이를 달성한다.
지지 구조(1301)의 외부 가이드 형성부는 제1 외부 업스탠드(1308a), 제2 외부 업스탠드(1308b) 및 외부 팩 케이싱의 벽(1310)의 내부 표면(1311)의 조합에 의해 형성된다(도 36 참조). 제1 및 제2 업스탠딩 구조들(1308a, 1308b)은 이격되고 둘 모두는 지지 구조 베이스(1312)에 연결된다. 배터리 팩 하우징(1338)의 하부 크램쉘(1337)은, 선택적인 실시예들에서 지지 구조(1301)가 하부 크램쉘(1337)과 일체로 형성될 수 있지만 전지들의 어레이의 에지에서 지지 구조 베이스(1312)를 수용하기에 적절한 리세스들을 포함할 수 있다.
팽창가능한 덕트는 제1 외부 스탠드(1308a), 제2 외부 업스탠드(1308b) 및 배터리 팩 벽(1310)의 내부 표면(1311)에 의해 지지된다. 외부 가이드 형성부의 일부로서 배터리 팩 벽(1310)을 사용하는 것은 더 큰 지지 구조에 대한 필요성을 제거하고 따라서 배터리 팩의 폭을 감소시키고 내부의 데드-스페이스(dead-space)를 제거한다.
업스탠딩 구조들(1308a, 1308b)은 만곡되고 가이드 형성부(1305)의 모서리들을 규정한다. 업스탠딩 구조들(1308a, 1308b) 사이의 갭은 덕트를 배터리 팩에 배열할 때 지지 구조(1301)를 통해 과량의 덕트를 당기는 데 사용될 수 있다. 제1 외부 업스탠드(1308a) 및 제2 외부 업스탠드(1308b)는 단부 전지가 덕트와의 증가된 열 접촉을 갖게 하는 단부 전지의 외부 주위를 감싸도록 덕트가 확장되는 것을 방지한다.
지지 구조들은 예를 들어 금속, 플라스틱 또는 고무와 같은 가요성 덕트를 지지하기에 충분한 강성을 갖는 임의의 적합한 강성, 반-강성 또는 압축가능한 재료로 만들어질 수 있다. 중요한 예에서, 지지 구조들은 배터리 팩 내에서 사용되는 포팅 재료로 만들어지거나 벌크 포팅 화합물과 유사한 열 전파 방지 특성을 가진다. 예를 들어, 지지 구조는 포팅 재료를 적합한 몰드에 붓거나, 예를 미리-경화된 단열 폼의 블록으로부터 지지 구조를 절단하여 제조될 수 있다. 대안적으로, 지지 구조(들)는 배터리 팩의 벽들, 예를 들어 상부 또는 하부 크램쉘과 일체로 형성될 수 있다. 이러한 예들에서 지지 구조들은 배터리 팩 내의 삽입물이 아니라 플라스틱 쉘들로부터의 돌출부이다.
통상의 기술자는 본 출원의 범위를 벗어나지 않고 본 발명에 대해 다양한 변경들 및 수정들이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 본원에 설명된 열 관리 시스템은 하나 이상의 개별 전지들을 가진 모든 종류의 배터리 팩과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 장거리 운반 트럭용 보조 동력 장치(APU) 내의 배터리 팩, 배터리 전기 또는 하이브리드 차량의 견인 배터리, 에너지 저장 시스템 또는 열 관리가 필요한 해양, 항공 우주, 자동차, 산업 및 에너지 저장 분야들에서의 임의의 다른 배터리 팩에 사용될 수 있다.
가요성 덕트(50)는 전지(들)(30)를 둘러싸는 케이싱 외피와 같은 인터페이스 영역 또는 인터페이스 재료 또는 열 전도성 충전제, 페이스트 또는 접착제를 통해 하나 이상의 전지들(30)의 측면(들) 또는 임의의 다른 표면(들)과 간접적으로 접촉할 수 있다. 선택적인 실시예들에서, 가요성 덕트는 전지(들)의 단부 표면(들)과 적어도 부분적으로 접촉할 수 있다.
본 발명의 앞선 논의에서, 반대로 언급되지 않는 한, 값들 중 하나가 다른 값들보다 훨씬 더 선호된다는 표시와 함께 커플링된, 파라미터의 허용 범위의 상한 또는 하한에 대한 대안적인 값들의 개시는, 대안들의 더 선호되는 값과 덜 선호되는 값 사이에 있는 파라미터의의 각각의 중간 값 자체가 덜 선호되는 값보다 선호되며 또한 덜 선호되는 값과 중간 선호되는 값 사이에 있는 각각의 값보다 선호된다는 암시적 진술로 해석되어야 한다.
전술한 설명 또는 뒤따른 도면들에 개시되고, 특정한 형태로 또는 개시된 기능을 수행하기 위한 수단, 또는 개시된 결과를 얻는 방법 또는 프로세스의 관점에서 적절하게 표현된 특징들은 개별적으로 또는 임의의 이러한 특징들의 조합에서 다양한 형태들로 본 발명을 실현하기 위해 이용될 수 있다.

Claims (51)

  1. 배터리 팩으로서,
    하나 이상의 전지들; 덕트와 상기 하나 이상의 전지들 중 적어도 하나 사이에서 열이 교환될 수 있도록 상기 하나 이상의 전지들 중 적어도 하나의 표면에 근접하게 포지셔닝된 가요성 및 팽창가능한 덕트; 및 상기 덕트의 적어도 일부에 대한 지지부로서 작용하도록 적응된 포팅 수단(potting means)을 포함하고,
    사용 중, 상기 덕트의 모양은 상기 하나 이상의 전지들의 표면 모양과 부분적으로 일치하는, 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 복수의 덕트들을 포함하는, 배터리 팩.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 덕트 또는 각각의 덕트는 확장된(expanded) 상태인, 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 덕트 또는 각각의 덕트는 하나 이상의 직선 섹션들을 포함하는, 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 덕트 또는 각각의 덕트는 구불구불한 덕트인, 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 전지들의 어레이를 포함하는, 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전지 또는 각각의 전지는 원통형 전지인, 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 덕트 또는 각각의 덕트는 하나 이상의 전지들 사이에 및/또는 이에 인접하여 포지셔닝되는, 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 덕트 또는 각각의 덕트는 하나 이상의 전지들의 측면(들)과 직접 열 접촉하는, 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 덕트 또는 각각의 덕트는 인터페이스 영역 또는 인터페이스 재료를 통해 상기 하나 이상의 전지들의 측면(들)과 간접 열 접촉하는, 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 덕트 또는 각각의 덕트는 냉각제 재료가 상기 덕트를 통해 유동할 수 있도록 개방 구성을 갖는, 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 덕트 또는 각각의 덕트는 상기 덕트 또는 각각의 덕트 내의 가압된 냉각 유체에 의해 및/또는 상기 포팅 수단에 대한 접착을 통해 개방 구성으로 유지되는, 배터리 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 포팅 수단은 폼(foam)을 포함하는, 배터리 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 포팅 수단은 단열 폼을 포함하는, 배터리 팩.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 포팅 수단은 팽창성 폼 또는 폴리우레탄 폼을 포함하는, 배터리 팩.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 포팅 수단은 열경화성 플라스틱, 실리콘 고무 겔 또는 에폭시 수지를 포함하는, 배터리 팩.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 포팅 수단은 적어도 하나의 덕트의 적어도 일부에 대한 강성의 지지부로서 작용하는, 배터리 팩.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 포팅 수단은 상기 배터리 팩 내의 제자리에 전지(들) 및 덕트(들)를 고정하는, 배터리 팩.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 포팅 수단은 적어도 하나의 덕트의 적어도 일부가 내부에 위치되는 공동을 규정하는, 배터리 팩.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 포팅 수단은 하나 이상의 덕트(들)의 적어도 일부에 접착식으로 부착되는, 배터리 팩.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 덕트 또는 각각의 덕트는 팽창가능한 플라스틱 재료로 형성되는, 배터리 팩.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 팽창가능한 플라스틱 재료는 폴리에스테르, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE) 또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)인, 배터리 팩.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 덕트는 단일-루멘 덕트(single-lumen duct)인, 배터리 팩.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 덕트는 다중-루멘 덕트(multi-lumen duct)인, 배터리 팩.
  25. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 덕트에 지지를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 지지 수단을 포함하는, 배터리 팩.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 지지 수단 또는 각각의 지지 수단은 상기 덕트가 방향을 변경 및/또는 반전시키는 지점에서 덕트에 대한 지지를 제공하도록 구성되는, 배터리 팩.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 지지 수단 또는 각각의 지지 수단은 가이드 채널을 포함하는, 배터리 팩.
  28. 제1항에 있어서,
    열 관리 시스템에 동작가능하게 연결되는, 배터리 팩.
  29. 배터리 팩을 제조하는 방법으로서,
    하나 이상의 전지들을 제공하는 단계; 덕트와 상기 하나 이상의 전지들 중 적어도 하나 사이에서 열이 교환될 수 있도록 상기 하나 이상의 전지들 중 적어도 하나의 표면에 근접하게 가요성 및 팽창가능한 덕트를 포지셔닝하는 단계; 상기 덕트의 모양이 상기 하나 이상의 전지들의 표면 모양과 부분적으로 일치하도록 유체를 상기 덕트에 삽입하는 단계; 및 상기 덕트의 적어도 일부에 대한 지지부로서 작용하도록 적응된 포팅 수단을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 전지들의 어레이를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  31. 제29항 또는 제30항에 있어서,
    상기 방법은 배터리 팩 하우징에 상기 하나 이상의 전지들을 위치시키는 단계를 포함하는, 방법.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 추가 덕트 또는 각각의 추가 덕트와 상기 하나 이상의 전지들 중 적어도 하나 사이에서 열이 교환될 수 있도록 하나 이상의 전지들의 표면에 근접하게 하나 이상의 추가 덕트들을 포지셔닝하는 단계를 포함하는, 방법.
  33. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 전지(들)에 인접하고/하거나 그 사이의 포지션(들)에 상기 덕트 또는 각각의 덕트를 포지셔닝하는 단계를 포함하는, 방법.
  34. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 상기 배터리 팩 내의 구불구불한 경로를 따라 상기 덕트 또는 각각의 덕트를 포지셔닝하는 단계를 포함하는, 방법.
  35. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 상기 덕트 또는 각각의 덕트가 팽창되지 않은 상태에 있을 때 상기 하나 이상의 전지들 중 적어도 하나의 표면에 근접하게 상기 덕트 또는 각각의 덕트를 포지셔닝하는 단계를 포함하는, 방법.
  36. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 상기 덕트의 적어도 일부에 지지를 제공하기 위해 지지 수단 내에 상기 덕트의 일부를 위치시키는 단계를 포함하는, 방법.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 방법은 상기 덕트가 팽창되지 않은 상태에 있을 때 상기 지지 수단의 리세스 내에 상기 덕트의 일부를 위치시키는 단계를 포함하는, 방법.
  38. 제29항에 있어서,
    유체를 상기 덕트 또는 각각의 덕트 내로 삽입하는 상기 단계는 덕트(들)가 개방 구성으로 확장되게 하는, 방법.
  39. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 상기 포팅 수단을 상기 배터리 팩에 삽입하는 단계를 포함하는, 방법.
  40. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 상기 포팅 수단이 점성 또는 액체 상태에 있는 동안 상기 포팅 수단을 상기 배터리 팩에 삽입하는 단계를 포함하는, 방법.
  41. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 상기 포팅 수단을 상기 배터리 팩에 삽입하는 단계 전에 유체를 상기 덕트 또는 각각의 덕트에 삽입하는 단계를 포함하는, 방법.
  42. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 상기 포팅 수단을 상기 배터리 팩에 삽입하는 단계 전에 상기 덕트 또는 각각의 덕트를 가압 또는 팽창시키는 단계를 포함하는, 방법.
  43. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 확장가능한 포팅 수단을 상기 배터리 팩에 주입하는 단계를 포함하는, 방법.
  44. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 폼을 상기 배터리 팩에 삽입하는 단계를 포함하는, 방법.
  45. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 팽창성 또는 폴리우레탄 폼을 상기 배터리 팩에 삽입하는 단계를 포함하는, 방법.
  46. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 열경화성 플라스틱, 실리콘 고무 겔 또는 에폭시 수지를 상기 배터리 팩에 삽입하는 단계를 포함하는, 방법.
  47. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 상기 배터리 팩 내에서 상기 포팅 수단을 경화 또는 굳히는 단계를 포함하는, 방법.
  48. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 상기 덕트 또는 각각의 덕트가 실질적으로 팽창된 상태 및/또는 개방 구성인 동안 상기 배터리 팩 내의 상기 포팅 수단을 경화 또는 굳히는 단계를 포함하는, 방법.
  49. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 상기 포팅 수단이 실질적으로 강성 상태로 설정되거나 굳을 때까지 상기 덕트 내의 압력을 유지하는 단계를 포함하는, 방법.
  50. 제29항에 있어서,
    상기 방법은 상기 포팅 수단에 대한 접착을 통해, 상기 배터리 팩 내에서 상기 덕트 또는 각각의 덕트를 개방 구성으로 유지하는 단계를 포함하는, 방법.
  51. 삭제
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