KR102589287B1

KR102589287B1 - 배터리에서 열폭주를 개시하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102589287B1
Application number: KR1020197023872A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 레코스키; 딘 맥네일; 지울리오 토를론; 올티온 코드라; 조엘 페론
Original assignee: 내션얼 리서치 카운슬 오브 캐나다
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2023-10-13
Also published as: US11387507B2; KR20190108133A; CN110192104B; EP3566044A4; JP7290569B2; WO2018132911A1; US20200036068A1; JP2020510954A; CA3050792A1; CN110192104A; CA3050792C; JP2023065358A; EP3566044A1

Abstract

배터리 셀에서 열폭주를 개시하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 상기 장치 및 방법은 열폭주를 개시하기 위해 배터리 셀들 및 팩들의 안전성 연구에 사용될 수 있다. 상기 장치는 배터리 셀의 영역으로 열을 전달하기 위해 상기 배터리 셀과 열 접촉하게 위치하는 저항 가열 요소를 포함한다. 에너지 소스는 상기 저항 가열 요소에 전기적으로 연결된다. 스위치는 열폭주를 개시하기 위해 상기 배터리 셀의 영역을 가열하도록 상기 저항 가열 요소를 통해 전류 펄스를 전송하여 상기 저항 가열 요소에서의 전력 펄스를 생성하기 위한 회로를 선택적으로 형성한다. 대안으로, 상기 가열 요소는 가열되고 열폭주가 개시될 때까지 사전에 결정된 온도로 유지된다. 열생성율은 셀 내 내부 단락 회로의 열생성율과 필적하도록 설계될 수 있고, 이는 열폭주를 개시하는데 사용되는 여러 기존의 느린 가열 방법보다 훨씬 빠르다.

Description

배터리에서 열폭주를 개시하기 위한 장치 및 방법

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은 2017년 1월 19일자 출원된 미국 임시특허출원 제62/448,134호 및 2017년 9월 8일자 출원된 미국 임시특허출원 제62/556,006호의 우선권을 주장하며, 이러한 미국 임시특허출원들은 인용에 의해 본원에 보완된다.

기술분야

본 개시내용은 배터리 기술에 관한 것이며, 더 구체적으로는 배터리 테스팅 및 안전성에 관한 것이다.

시장 채택으로 배터리 팩들의 안전성 연구가 강화되고 있다. 여기에는 전기 자동차(electrified vehicle; EV)용 배터리 팩이 포함된다. 많은 에너지 저장 시스템은 수백 개의 리튬이온 배터리 셀을 사용한다. 남용 시나리오 동안이나 결함으로 인해, 발열 반응으로 온도가 급격하게 그리고 통제 불가능하게 상승하여 강력한 분기(噴氣) 및/또는 화재가 발생하게 된다. 임계 온도를 초과하면 발열 반응의 속도는 열이 환경으로 소모되는 속도를 추월하고 온도가 급속하게 그리고 제어 불가능하게 상승하기 시작한다. 산소는 활성 물질에서 유리(遊離)되며 때로는 독성 및 가연성 유기증기(有機蒸氣)가 격렬하게 방출된다. 이러한 프로세스는 열폭주(熱輻輳)로 공지되어 있다. 임계 온도는 배터리마다 다르며 배터리 셀의 크기, 형상, 화학적 성질 등에 따라 달라질 수 있다.

셀 고장을 일으킬 수 있는 조건에는 셀 내 내부 단락 회로와 같은 셀 결함이 포함된다. 또 다른 조건은 차량 시스템 고장, 예를 들어 배터리 과충전이다. 추가 조건은 셀 관통(cell penetration) 또는 외부 열과 같은 외력(外力)의 적용이다. 일부 적용 예들에서 인접 셀들이 매우 근접함으로 인해, 하나의 셀이 열폭주를 개시하면, 전체 배터리 셀 어레이를 통해 단계적으로 진행하는 연쇄 반응의 고장들이 발생할 수 있다.

다중 셀 폭주는 강력한 충돌, 인접한 화재 및/또는 심한 과충전을 포함할 수 있는 극단적인 이벤트인 경향이 있다. 단일 셀 폭주 이벤트는 셀 내부 단락 회로, 제조 결함, 셀 노화와 같이 보다 감지하기 어려운 경향이 있으며 배터리 팩의 적절한 설계를 통해 완화될 것으로 예상된다.

예를 들어 테스팅 및/또는 연구 목적으로 조사되는 열폭주를 개시하기 위한 다양한 방법이 있다. 여기에는 예를 들어 못, 나사, 둔기(blunt object) 또는 기타 물체로 셀을 뚫거나 셀에 구멍을 내거나 셀을 분쇄하는 것이 포함된다. 이러한 기법은 다소 일반적인 방법이었지만 문제가 되는 재현성 및 최소 에너지 도입을 갖추었다. 공교롭게도, 다수의 셀을 지니는 배터리 팩 내 단일 셀에 대해 구현하기가 어렵고, 차량 내 배터리 팩에서 구현하기가 어려우며, 이는 셀/모듈 경계 조건을 변경시킬 수 있다.

다른 일반적인 열폭주 개시 기법은 셀 가열이다. 셀 가열은 배터리 또는 배터리 셀을 오븐 내에나 또는 핫 플레이트 상에 배치함으로써 수행될 수 있다. 또한, 배터리 셀의 전체 또는 일부 주위에 저항 가열 와이어를 감음으로써 가열이 전달될 수 있다. 셀 가열은 양호한 재현성을 제공할 수 있고, 셀 외부(예컨대, 전도성, 레이저 등)에 적용될 수도 있고 내부에 적용될 수도 있으며, 활성화 시간을 길어지게 하고, 경계 조건에 크게 영향을 미치는 인접한 셀들을 가열할 수 있다.

또 다른 열폭주 개시 기법은 셀 과충전인데, 이는 양호한 재현성을 지닐 수 있지만 서로 다른 셀 설계에 걸쳐 구현하기는 어렵다. 셀 내 내장 회로 인터럽트 장치 및 기타 내부 안전 메커니즘은 이러한 방법을 사용하여 열폭주 개시를 방지할 수 있다. 이러한 기법은 또한 셀에 상당한 비-특이적 에너지를 추가하여 결과적인 열폭주 반응을 강화시킬 수 있다.

다른 열폭주 개시 기법은 셀 결함 도입이며, 이는 셀 내 내부 단락 회로를 유발하기 위해 의도적으로 결함을 도입하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 수법은 덜 일반적이며, 재현성이 알려지지 않을 수 있고, 구현을 불가능하게 하고 안전 위험이 있는 특수 제작된 셀을 필요로 할 수 있다.

현재 EV 배터리 팩에서 셀 고장 또는 주변 셀들로의 고장 전파의 위험을 평가하기 위한 표준화된 테스트 방법이 없다.

운송 규제 기관은 배터리 팩 내에서 열 이벤트를 개시하는 정확하고 재현 가능하며 간단하고 견고한 방법을 개발하여 다수의 배터리의 운송(화물)과 아울러 배터리 팩 설계의 안전성을 결정하려고 적극적으로 노력하고 있다.

따라서, 하나 이상의 배터리 셀들에서 열폭주를 개시하기 위한 시스템 및 방법에 있어서의 개선 및 그에 관련되는 개선이 요구된다.

상기 정보는 본 개시내용의 이해를 돕기 위한 배경 정보만으로서 제시된다. 상기 내용 중 어느 것이라도 본 개시내용과 관련하여 선행기술로서 적용 가능할 수 있는지 여부에 대해서는 어떠한 주장이나 인정을 한 것이 아니다.

본 개시내용의 실시 예들은 지금부터 첨부도면들을 참조하여 단지 예로 설명될 것이다.

도 1은 다양한 리튬이온 화학물질에 대한 열폭주를 나타내는 리튬이온 18650 크기의 셀들에 대한 온도 대 시간 그래프이다.
도 2는 한 실시 예에 따른 회로에 연결된 가열 요소를 보여주는 도면이다.
도 3은 한 실시 예에 따른 배터리 셀과 접촉하는 가열 요소를 포함하는 열폭주를 개시하기 위한 장치를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 개시내용의 한 실시 예에 따른 2 이상의 셀을 지니는 배터리에서 열폭주를 개시하기 위한 장치를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 개시내용의 한 실시 예에 따른 열폭주 개시 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 6은 본 개시내용의 한 실시 예에 대한 시간에 대한 전력의 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 0 내지 2초 시간 범위에서의 도 6의 그래프를 확대하여 보여주는 도면이다.
도 8은 본 개시내용의 한 실시 예에 따른 가열 요소의 풋프린트 표면적을 나타내는 열폭주 개시 장치를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 개시내용의 한 실시 예에 따른 가열 요소의 사시도이다.
도 10 및 도 11은 2개의 서로 다른 대표적인 저항 가열 요소를 보여주는 도면들이다.
도 12는 한 대표적인 저항 가열 요소를 보여주는 사진이다.
도 13은 여러 선택적인 코팅을 포함하는 한 대표적인 저항 가열 요소를 보여주는 도면이다.
도 14는 여러 선택적인 코팅을 포함하는 도 12의 저항 가열 요소를 보여주는 사진이다.
도 15는 본 개시내용에 따른 한 실시 예에서의 배터리 셀에서 열폭주를 개시하기 위한 프로세스를 보여주는 도면이다.
도 16a는 본 개시내용에 따른 2단계 램프 및 세트 수법을 예시하기 위한 시간에 대해 도시된 온도의 그래프이다.
도 16b는 2단계 램프 및 세트 수법을 예시하는 한 실험으로부터의 시간에 대해 도시된 온도의 그래프이다.
도 17은 본 개시내용의 한 실시 예에 따른 열폭주 개시 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 18은 저항 가열 요소의 한 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 19는 본 개시내용에 따른 실시 예에서의 배터리 셀에서 열폭주를 개시하기 위한 프로세스를 보여주는 도면이다.
도 20은 본 개시내용에 따른 한 실시 예의 대표적인 전자 장치의 블록도이다.

간결하고 명확한 설명을 위해, 도면들 간에 대응하거나 유사한 요소들을 나타내는데 참조번호들이 반복될 수 있다. 여기에서 설명되는 실시 예들을 이해하기 위해 다수의 세부사항이 기재되어 있다. 그러한 실시 예들은 다수의 세부사항 없이 실시될 수 있다. 다른 경우들에서, 공지된 방법들, 절차들 및 구성요소들은 설명되어 있는 실시 예들을 모호하지 않게 하기 위해 구체적으로 설명되지 않았다. 그러한 설명은 여기에서 설명되는 실시 예들의 범위로 제한되는 것으로 간주하지 않아야 한다.

도 1은 3개의 서로 다른 리튬이온 화학물질, 다시 말하면 혼합된 LiCoO₂ 및 Li(Ni_0.50Mn_0.25Co_0.25)O₂₍LCO/NMC), Li(Ni_0.45Mn_0.45Co_0.10)O₂(NMC), 및 LiFePO₄₍LFP)를 지니는 캐소드 활성 물질을 각각 포함하는 18650 크기의 배터리 셀에서의 열폭주의 예들을 보여주는 온도 대 시간 그래프(100)이다. 이러한 대표적인 플롯(plot)들에 대해, 리튬이온 18650 크기의 셀들을 가속 속도 열량계에 놓고 25℃에서 시작하여 분당 ~ 2℃의 열 소비율로 가열하였다. 임계 개시 온도(150℃ 내지 220℃)에 도달한 후, 셀은 열폭주를 개시하였다. 화학물질 LCO/NMC(102), NCM(104), 및 LFP(106) 각각에 대한 다양한 플롯의 피크들이 그래프 상에 표기되어 있다. 도 1의 그래프는, 인용에 의해 본원에 보완되는「Golubkov, A.W., et al., Thermal-runaway experiments on consumer Li -ion batteries with metal-oxide and olivin -type cathodes, Royal Society of Chemistry Advances, 2014, 4, 3633-3642」에 나타나 있다.

도 1 그래프(100)에서의 x 축은 초 단위의 시간을 나타낸다. 피크들(102, 104, 106)에 의해 표시된 바와 같이, 0에서부터 열폭주에 이르기까지의 시간은 약 3500 초 내지 약 7000 초로 변하며, 이는 대략 1 내지 2시간으로 나타난다.

열폭주를 개시하는 장치 또는 방법에 대한 다음의 특성들 중 하나 이상이 바람직할 수 있다: 상기 개시 방법은 피크 전력 및 반응 속도 양자 모두에서 내부 단락 회로의 열 생성 프로파일을 모방하며; 상기 개시 방법은 셀들의 다양한 유형, 크기 및 기하학적 구조를 사용하여 전체 배터리 팩 내에서 테스트하는데 적응 가능하고; 상기 개시 방법은 배터리 팩 레이아웃 및 설계, 그 구성 또는 이웃하는 셀들에 영향을 미치지 않게 함과 아울러, 충전가능 에너지 저장 시스템(rechargeable energy storage system; REESS)에 일반적으로 존재하지 않은 물질의 추가 및 상기 시스템에 추가 에너지를 추가하는 것을 최소화하며; 상기 개시 방법은 신뢰할 수 있고 가능한 한 최소로 침습(invasion)한다.

본 개시내용은 일반적으로 배터리 셀 및 복수의 배터리 셀들로 구성된 배터리 팩의 테스팅 및 평가에 관한 것이다. 가열 요소는 배터리 셀에 의해 직면하게 되는 불리한 조건을 시뮬레이션하는데 사용될 수 있다. 소비자가 배터리를 사용하는 동안 발생할 수 있는 잠재적으로 위험한 상황을 모방하는데 급속하고 국소화된 가열 소스가 사용될 수 있다. 이러한 상황에는 셀 결함으로 인한 단락 회로에 의한 과열 과열, 과충전에 의한 과열, 또는 물리적인 타격 또는 천공과 같은 외부 힘, 또는 외부 열의 수용이 포함된다. 하나의 배터리 셀에서 열폭주가 개시되면 전체 배터리 팩을 통해 단계적으로 진행하는 연쇄 반응의 고장들이 발생할 수 있다. 배터리 셀에 급속하고 국소화된 열을 가하면 열폭주에 이르기까지, 열폭주 동안 그리고/또는 열폭주 다음에 이어지는 조건들을 연구할 수 있다.

한 실시형태에서, 본 개시내용은 일반적으로 배터리 셀과 열 접촉하게 위치된 저항 가열 요소에 고출력 전기 펄스를 제공함으로써 생성된 열 펄스로 배터리 전지를 국소적으로 가열하는데 사용될 수 있는 장치, 방법 및 시스템을 제공한다. 상기 펄스는 하나 이상의 커패시터들과 같은 에너지 소스에 저장된 에너지의 돌발적이고 빠른 방출에 의해 생성될 수 있다. 열생성율은 외부 단락 회로로부터 관찰한 것과 동일하거나 그에 맞도록 설계될 수 있지만, 내부 단락 회로의 특징인 훨씬 작은 표면적에 적용되도록 설계될 수 있다. 더 작은 영역에 동일한 전력을 적용하면 열 유속이 증가하고 더 높은 국소 온도를 달성할 수 있다. 일단 내부 배터리 물질이 임계 온도에 도달하면 열폭주가 진행된다.

다른 한 실시형태에서, 본 개시내용은 일반적으로 배터리 셀과 열 접촉하게 위치된 저항 가열 요소에 전류를 제공 및 제어함으로써 생성된 열로 배터리 셀을 국소적으로 가열하는데 사용될 수 있는 장치, 방법 및 시스템을 제공한다. 상기 수법은 폐-루프 제어를 이용하고 적어도 2단계를 포함하는데, 첫 번째 단계는 저항 가열 요소를 사전에 결정된 온도로 급속하게 가열하는 것이고, 두 번째 단계는 열폭주가 개시될 때까지 상기 사전에 결정된 온도에서 상기 저항 가열 요소를 다소 유지하는 것을 포함한다. 열은 상기 배터리 셀의 크기에 비해 상기 배터리 셀의 작은 표면적에 가해질 수 있고, 그럼으로써 열유속을 증가시켜 매우 뜨거운 국소 온도를 초래할 수 있다. 일단 배터리 셀의 내부 물질이 임계 온도에 도달하면 열폭주가 개시된다.

한 실시형태에서, 본 개시내용은 배터리 셀에서 열폭주를 개시하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 상기 배터리 셀의 영역으로 열을 전달하기 위해 상기 배터리 셀과 열 접촉하게 위치하는 저항 가열 요소; 상기 저항 가열 요소에 전기적으로 연결된 에너지 소스; 및 열폭주를 개시하기 위해 상기 배터리 셀의 영역을 가열하도록 상기 저항 가열 요소를 통해 전류 펄스를 전송하여 상기 저항 가열 요소에서의 전력 펄스를 생성하기 위한 회로를 선택적으로 형성하는 스위치;를 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 전류 펄스는 지수함수형 감쇠를 지닌다.

한 실시 예에서, 상기 전력 펄스에 의해 생성된 저항 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도는 적어도 1,000,000평방미터당 와트(W/m2)이며 여기서 와트 단위의 전력은 상기 저항 가열 요소에서의 가열 전력이고 평방미터 단위의 면적은 상기 저항 가열 요소의 풋프린트 표면적이다. 다른 실시 예들에서, 전력 펄스에 의해 생성된 저항 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도는 적어도 800,000평방미터당 와트(W/m2), 1,600,000W/m2, 또는 임의의 다른 적절한 값이다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도는 적어도 6,000,000W/m2이다. 한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도는 적어도 2,000,000W/m2이다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소의 풋프린트 표면적은 상기 배터리 셀의 케이싱의 총 외부 표면적의 20% 미만이다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소의 풋프린트 표면적은 상기 배터리 셀의 케이싱의 총 외부 표면적의 10% 미만이다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소의 풋프린트 표면적은 상기 배터리 셀의 케이싱의 총 외부 표면적의 5% 미만이다.

한 실시 예에서, 상기 에너지 소스에 저장된 에너지의 적어도 95%는 상기 스위치가 상기 회로를 형성한 다음 60초 미만 내에 적용된다.

한 실시 예에서, 상기 에너지 소스에 저장된 에너지의 적어도 95%는 상기 스위치가 상기 회로를 형성한 다음 30초 미만 내에 적용된다.

한 실시 예에서, 상기 에너지 소스는 적어도 하나의 커패시터를 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 에너지 소스는 연속적인 DC 전력 공급원을 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 배터리 셀의 킬로와트(kW) 단위의 표준 1C C-속도 정전류 방전 사이클 전력에 대한 상기 에너지 소스의 방전 동안 상기 저항 가열 요소에서의 kW 단위의 피크 가열 전력의 비는 적어도 50 대 1이고, C-속도는 배터리가 상기 배터리의 최대 용량에 대해 방전되는 속도의 측정치이다.

한 실시 예에서, 상기 배터리 셀의 킬로주울(kJ) 단위의 에너지 저장 용량에 대한 상기 에너지 소스의 방전 동안 상기 저항 가열 요소에 의해 소모되는 kJ 단위의 열 에너지의 비는 0.02 내지 0.04의 범위 내에 있다. 한 실시 예에서, 상기 비는 0.10미만이다.

한 실시 예에서, 상기 에너지 소스의 방전은 상기 배터리 셀의 표면이 적어도 150℃로 가열되게 한다.

한 실시 예에서, 상기 장치는 상기 저항 가열 요소 외부에 전기 절연 장벽을 더 포함하여 상기 저항 가열 요소를 전기적으로 분리시킨다. 한 실시 예에서, 상기 전기 절연 장벽은 세라믹 코팅을 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 상기 세라믹 코팅 외부에 열 전도성 금속계 코팅을 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 상기 금속계 코팅 외부에 전도성 열전달 페이스트를 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 평면상의 형상을 지닌다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 상기 저항 가열 요소의 형상이 배터리 셀의 외부 표면에 상응하게 변형될 수 있게 유연하다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 5mm 미만의 두께를 지닌다. 한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 2밀리미터 미만의 두께를 지닌다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 니크롬(nichrome)을 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 철-크롬-알루미늄(FeCrAl) 합금을 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 장치는 상기 저항 가열 요소를 통해 단일 전류 펄스를 전송하도록 구성된다.

한 실시형태에서, 본 개시내용은 배터리 셀에서 열폭주를 개시하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은, 상기 배터리 셀의 영역으로 열을 전달하기 위해 상기 배터리 셀과 열 접촉하게 저항 가열 요소를 제공하는 단계; 상기 저항 가열 요소에 전기적으로 연결된 에너지 소스를 제공하는 단계; 및 열폭주를 개시하기 위해 상기 배터리 셀의 영역을 가열하도록 상기 저항 가열 요소를 통해 전류 펄스를 전송하여 상기 저항 가열 요소에서의 전력 펄스를 생성하기 위한 회로를 선택적으로 형성하는 단계;를 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 전력 펄스는 적어도 1,000,000평방미터당 와트(W/m²)의 상기 저항 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도를 생성하고 여기서 와트 단위의 전력은 상기 저항 가열 요소에서의 가열 전력이고 평방미터 단위의 면적은 상기 저항 가열 요소의 풋프린트 표면적이다. 한 실시 예에서, 상기 전력 펄스에 의해 생성된 상기 저항 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도는 적어도 800,000평방미터당 와트(W/m2)이다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도는 적어도 6,000,000W/m²이다. 한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도는 적어도 2,000,000W/m2이다.

한 실시 예에서, 상기 제공된 저항 가열 요소는 상기 배터리 셀의 케이싱의 총 외부 표면적의 20% 미만의 풋프린트 표면적을 지닌다.

한 실시 예에서, 상기 제공된 저항 가열 요소는 상기 배터리 셀의 케이싱의 총 외부 표면적의 10% 미만의 풋프린트 표면적을 지닌다.

한 실시 예에서, 상기 풋프린트 표면적은 상기 배터리 셀의 케이싱의 총 외부 표면적의 5% 미만이다.

한 실시 예에서, 상기 제공된 에너지 소스는 적어도 하나의 커패시터를 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 방법은 상기 저항 가열 요소 외부에 전기 절연 장벽을 제공하여 상기 저항 가열 요소를 전기적으로 분리시키는 단계를 더 포함한다. 한 실시 예에서, 상기 전기 절연 장벽은 세라믹 코팅을 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 제공된 저항 가열 요소는 평면상의 형상을 지닌다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 상기 저항 가열 요소의 형상이 상기 배터리 셀의 외부 표면에 상응하게 변형될 수 있게 유연하다.

한 실시 예에서, 상기 제공된 저항 가열 요소는 5mm 미만의 두께를 지닌다. 한 실시 예에서, 상기 제공된 저항 가열 요소는 2밀리미터 미만의 두께를 지닌다.

한 실시 예에서, 상기 제공된 저항 가열 요소는 니크롬(nichrome)을 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 회로를 선택적으로 형성하는 것은 상기 저항 가열 요소를 통해 단일 전류 펄스를 전송하는 것을 포함한다.

한 실시형태에서, 본 개시내용은 배터리 셀에서 열폭주를 개시하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 상기 배터리 셀의 영역으로 열을 전달하기 위해 상기 배터리 셀과 열 접촉하게 위치할 수 있는 전기 에너지를 열로 변환하는 수단; 상기 저항 가열 요소에 전기적으로 연결된 에너지 제공 수단; 열폭주를 개시하기 위해 상기 배터리 셀의 영역을 가열하도록 상기 전기 에너지를 열로 변환하는 수단에 전류 펄스를 선택적으로 전송하여 상기 전기 에너지를 열로 변환하는 수단에서의 전력 펄스를 생성하는 스위칭 수단;을 포함한다.

한 실시형태에서, 본 개시내용은 배터리 셀에서 열폭주를 개시하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 상기 배터리 셀의 영역으로 열을 전달하기 위해 상기 배터리 셀과 열 접촉하게 위치하는 저항 가열 요소; 상기 저항 가열 요소에 전기적으로 연결된 에너지 소스; 상기 저항 가열 요소의 온도를 감지하는 온도 센서; 상기 온도 센서와 통신 가능하게 연결된 온도 제어기;를 포함하며, 상기 온도 제어기는 열폭주를 개시하기 위해 상기 배터리 셀의 영역을 가열하도록 상기 에너지 소스로부터 에너지가 방출되게 하여 상기 저항 가열 요소를 통해 전류를 전송해 상기 저항 가열 요소에서의 전력을 생성하도록 구성되고, 상기 온도 제어기는 또한 상기 저항 가열 요소가 사전에 결정된 온도에 이르기까지 가열되게 하고 상기 저항 가열 요소의 온도 감지에 응답하여 상기 사전에 결정된 온도로 유지되게 하도록 구성된다.

한 실시 예에서, 상기 생성된 전력에 의해 생성된 저항 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도는 적어도 800,000평방미터당 와트(W/m²)이며 여기서 와트 단위의 전력은 상기 저항 가열 요소에서의 가열 전력이고 평방미터 단위의 면적은 상기 저항 가열 요소의 풋프린트 표면적이다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 3초 미만 내 주위 온도로부터 사전에 결정된 온도로 가열된다.

한 실시 예에서, 상기 온도 제어기는 펄스 폭 변조(pulse-width-modulation; PWM)를 사용하여 상기 저항 가열 요소에서 발생된 전력을 제어한다.

한 실시 예에서, 상기 에너지 소스는 직류(direct current; DC) 전력 공급원을 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 온도 센서는 열전쌍(thermocouple)을 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 온도 제어기는 상기 저항 가열 요소의 온도가 상기 에너지 소스로부터 방출된 에너지에 응답하여 상기 사전에 결정된 온도를 5% 이상 초과하지 않게 한다.

한 실시형태에서, 본 개시내용은 배터리 셀에서 열폭주를 개시하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 상기 배터리 셀의 영역으로 열을 전달하기 위해 상기 배터리 셀과 열 접촉하게 저항 가열 요소를 제공하는 단계; 상기 저항 가열 요소에 전기적으로 연결된 에너지 소스를 제공하는 단계; 상기 저항 가열 요소의 온도를 감지하는 단계; 열폭주를 개시하기 위해 상기 배터리 셀의 영역을 가열하도록 상기 에너지 소스로부터 방출하여 상기 저항 가열 요소에서의 전력을 생성하는 단계; 및 상기 저항 가열 요소가 사전에 결정된 온도에 이르기까지 가열되고 상기 저항 가열 요소의 온도 감지에 응답하여 상기 사전에 결정된 온도로 유지되도록 상기 저항 가열 요소의 온도를 제어하는 단계;를 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소에서 생성된 전력은 적어도 800,000평방미터당 와트(W/m2)의 상기 저항 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도를 생성하며 여기서 와트 단위의 전력은 상기 저항 가열 요소에서의 가열 전력이고 평방미터 단위의 면적은 상기 저항 가열 요소의 풋프린트 표면적이다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소의 가열은 3초 미만 내 주위 온도로부터 사전에 결정된 온도로 상기 저항 가열 요소를 가열하는 것을 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 제어하는 것은 펄스 폭 변조(pulse-width-modulation; PWM)를 사용하여 상기 저항 가열 요소의 온도를 제어하는 것을 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 제어하는 것은 상기 저항 가열 요소의 온도가 상기 에너지 소스로부터 방출된 에너지에 응답하여 상기 사전에 결정된 온도를 5% 이상 초과하지 않게 하는 것을 포함한다.

도 2는 본 개시내용의 한 실시 예에 따른 하나 이상의 전기 전도체(205)에 의해 회로(204)에 연결된 가열 요소(202)를 포함하는 장치(200)를 보여주는 도면이다. 여기서 유념해야 할 점은 첨부도면들에 도시된 구성요소들이 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니라는 점이다. 장치(200)는 분리된 상태로 도시되며, 이것이 의미하는 것은 어떠한 배터리 셀도 도시되어 있지 않음을 의미한다. 일부 실시 예들에서, 상기 가열 요소(202)는 저항 가열 요소이다. 상기 회로(204)는 에너지 소스(208)로부터의 에너지를 제공한다. 상기 장치(200)는 일반적으로 열폭주를 개시하기 위해 배터리 셀의 영역을 가열하도록 상기 저항 가열 요소(202)를 통해 전류 펄스를 전송하여 상기 저항 가열 요소(202)에서의 전력 펄스를 생성하기 위한 회로를 선택적으로 형성하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 상기 회로(204)는 상기 에너지 소스(208)로부터 상기 가열 요소(202)로의 에너지 전달을 제어하기 위한 회로를 포함한다. 한 실시 예에서, 상기 에너지 소스(208)는 펄스형 전력 공급원이다. 한 실시 예에서, 상기 에너지 소스(208)는 하나 이상의 커패시터들을 포함한다. 한 실시 예에서, 상기 하나 이상의 커패시터들은 전기 화학 이중 층 커패시터와 같지만 이에 국한되지 않는 슈퍼 커패시터들일 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 하나 이상의 커패시터들은 펄스 방전 커패시터들일 수 있으며, 이들은 매우 짧은 시간에 전기 에너지를 방출할 수 있다.

충전 커패시터에 의해 방전되는 전류는 하기 수학식 1

로 표현되며, 상기 수학식 1에서 I는 전류이고, V₀는 충전 커패시터 양단 간의 전압이며, t는 시간이고, R은 부하의 저항이며, C는 충전이고, RC는 시정수이다.

도 3은 열폭주를 개시하기 위한 대표적인 장치(300)를 보여준다. 이러한 대표적인 구성에서, 가열 요소(302)는 대표적인 단일 배터리 셀(306)과 열 접촉하게 위치된다. 본원 명세서에서 사용된 용어 "열 접촉"은 일반적으로 2개의 몸체가 전도성 열 전달 프로세스를 통해 에너지를 교환할 수 있음을 의미한다. 에너지가 에너지 소스(308)로부터 가열 요소(302)로 전달될 때, 상기 가열 요소(302)의 온도는 증가하고 열은 배터리 셀(306)로 전달된다. 일부 실시 예들에서, 상기 배터리 셀(306)로 전달된 열은 상기 배터리 셀(306)의 영역이 열폭주를 개시하는 온도에 이르게 한다. 상기 가열 요소(302)는 상기 가열 요소(302)를 상기 배터리 셀(306)의 케이싱의 외부 표면에 부착함으로써 상기 배터리 셀(306)과 열 접촉하게 위치될 수 있다.

도시되지 않은 실시 예에서, 저항 가열 요소는 테스트 목적으로 배터리 셀 자체에 일체화될 수 있다. 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 배터리 셀의 케이싱에 일체화될 수 있다.

도 4는 본 개시내용의 한 실시 예에 따른 열폭주를 개시하기 위한 대표적인 장치를 보여준다. 이러한 대표적인 구성은 도 4에 제2 배터리 셀이 존재하는 것을 제외하고는 도 3의 것과 유사하다. 구체적으로, 배터리(410)는 제1 배터리 셀(406a) 및 제2 배터리 셀(406b)을 포함한다. 점선으로 나타내고 예시를 목적으로 투명하게 도시된 제2 배터리 셀(406b)은 제1 배터리 셀(406a) 앞에 있는 것으로 도시되어 있다. 가열 요소(402)는 2개의 배터리 셀(406a, 406b) 사이에 배치되는 동안 제1 배터리 셀(406a)과 열 접촉하게 위치된다. 비록 도 4에 도시된 배터리(410)가 단지 2개의 배터리 셀만을 지니고 있지만, 여기서 이해하여야 할 점은 본 개시내용의 장치 및 방법이 2개보다 많은 셀을 지니는 배터리들과 함께 사용될 수 있다는 점이다.

한 실시 예에서, 가열 요소(402)는 양자 모두의 배터리 셀(406a, 406b)과 열 접촉할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열폭주를 개시하기 위한 장치는 다수의 배터리 셀 사이에 삽입될 수 있는 다수의 가열 요소를 포함할 수 있다.

도 5는 본 개시내용의 한 실시 예에 따른 열폭주를 개시하기 위한 대표적인 회로(500)의 개략도이다. 회로(500)는 저항 가열 요소(502), 및 에너지 소스(520)를 포함하는 회로(504)를 포함한다. 본원 명세서에 기재되어 있는 실시 예들이 저항 가열 요소를 갖는 것으로 설명되어 있지만, 일부 실시 예들은 하나 이상의 다른 유형의 가열 요소들(다시 말하면, 반드시 저항 가열 요소는 아님)을 지닐 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 에너지 소스(520)는 전하의 형태로 에너지를 저장하기 위한 하나 이상의 커패시터들(522)을 포함한다. 한 실시 예에서, 상기 커패시터들 중 하나 이상의 커패시터들은 울트라 커패시터들일 수 있다. 테스트 전에 에너지 소스(520)를 충전하기 위해 충전 시스템(530)이 제공될 수 있다. 한 실시 예에서, 충전 시스템(530)은 직류(DC) 전압 소스와 같은 에너지 소스(532) 및 차단 다이오드(534)를 포함한다.

상기 회로(504)는 상기 에너지 소스(520)로부터 상기 저항 가열 요소(502)로의 에너지 전달을 제어하기 위한 제어 회로(540)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 회로(500)는 열폭주를 개시하기 위해 상기 배터리 셀의 영역을 가열하도록 상기 저항 가열 요소를 통해 전류 펄스를 전송하여 상기 저항 가열 요소에서의 전력 펄스를 생성하기 위한 회로를 선택적으로 형성하도록 구성된다. 한 실시 예에서, 상기 제어 회로(540)는 상기 에너지 소스(520)로부터 상기 저항 가열 요소(502)로의 에너지 전달을 야기하기 위한 회로를 선택적으로 형성하기 위한 에너지 전달 스위치(548)를 포함한다. 상기 회로의 형성으로 배터리 셀의 영역을 가열하기 위해 상기 가열 요소를 통해 전류 펄스와 같은 에너지 펄스가 전송될 수 있고 그럼으로써 상기 가열 요소에서의 전력 펄스가 생성될 수 있다.

도 5의 실시 예에서, 에너지 전달 스위치(548)는 솔레노이드(546)로 작동되는 기계식 스위치로서 도시되어있다. 에너지 전달 스위치(548)는 제어 회로 에너지 공급원(542)으로부터 솔레노이드(546)로 에너지를 전달하기 위한 회로를 형성하기 위한 선택 스위치(544)의 활성화 또는 폐쇄를 통해 솔레노이드(546)에 에너지를 공급함으로써 개방 및/또는 폐쇄될 수 있다. 상기 제어 회로 에너지 공급원(542)은 배터리 또는 다른 어느 적절한 소스일 수 있다.

상기 에너지 전달 스위치(548)는, 예를 들어 컴퓨터, 프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 회로 또는 다른 적절한 전자 회로에 의해 수동 또는 전자 방식으로 활성화될 수 있다. 상기 에너지 전달 스위치(548)는 릴레이와 같은 전자 제어식 기계 스위치, 또는 반도체 기술을 사용하여 구현된 솔리드 스테이트(solid state) 스위치를 포함하지만 이에 국한되지 않는 임의의 유형의 적합한 스위치일 수 있다.

비록 도 5의 실시 예가 에너지 전달 스위치(548)를 포함하고 있지만, 다른 실시 예들은 회로를 선택적으로 형성하기 위한 스위치와는 다른 어느 적합한 유형의 장치를 지닐 수 있다.

적어도 일부 실시 예들에서, 열폭주를 개시하기 위한 장치는 상기 저항 가열 요소(502)가 배터리 셀의 표면적 또는 크기에 비해 작은 표면적을 지니도록 구성되어 있고, 그럼으로써 상기 저항 가열 요소가 국소화된 열 에너지 펄스 또는 버스트를 생성하여 열폭주를 개시하게 되는 온도에 이르기까지 상기 배터리 셀의 일부를 가열할 수 있다. 이는 배터리의 넓은 영역 또는 전체 배터리에 걸쳐 열 에너지를 적용하는 것과는 대조적이고, 열폭주를 개시하기 위한 충분한 온도에 이르기까지 상기 배터리 셀을 가열하지 않을 수도 있고 결과적으로 충분한 온도에 이르기까지이지만 오랜 시간이 지난 후에만 셀을 가열할 수도 있다. 또한, 이는 주변 배터리 셀들이 정상 동작 온도 범위를 벗어나거나 상한치 부근에 있는 온도에 이르기까지 충분히 가열될 수 있고, 그럼으로써 주변 셀들의 경계 조건이 열폭주 이벤트의 개시시에 충분히 영향을 받게 된다. 또한, 상기 저항 가열 요소(502)는 열폭주가 개시되는 온도에 이르기까지 상기 배터리의 영역을 가열하기에 충분한 전력을 제공할 수 있도록 적어도 특정 크기를 지닐 필요가 있을 수 있다.

상기 저항 가열 요소(502)의 특성은 요구되는 열 에너지의 양, 상기 배터리 셀의 형상 및/또는 크기, 및 회로(500)의 구성요소들과 같은 하나 이상의 인자(factor)들에 기초하여 선택될 수 있다. 상기 저항 가열 요소(502)의 특성은 상기 가열 요소의 크기, 형상, 두께, 재료 및 풋프린트 표면적(footprint surface area; FSA)을 포함할 수 있다.

본 개시내용에 따른 열폭주 개시 장치의 실시 예들을 사용하여 다수의 실험 및 테스트를 수행하였다. 도 6은 본 개시내용에 따른 열폭주 개시 장치에 의해 저항 가열 요소에서 생성되는 전력(664)을 나타내는 시간에 대한 전력의 그래프(600)이다. 그래프(600)는 또한 상기 저항 가열 요소에 대한 이론적인 결과들(662)을 보여준다. 이러한 실시 예에서, 커패시터의 방전으로 인해 상기 장치에 의해 생성된 전류 펄스의 결과로서 가열 소자에서 전력이 생성된다. 전력 곡선들(662, 664)은 그에 따라 가열 요소를 통해 전송된 전류 펄스에 의해 정의된다.

그래프(600)는 또한 동일한 유형의 리튬이온 셀의 "고정(hard)" 외부 단락 회로의 결과들(660)을 보여준다. 상기 외부 단락 회로는 상기 셀의 양극과 음극 단자들 간에 낮은 저항 회로를 폐쇄함으로써 개시되었다. 리튬이온 셀을 포함하지 않는 이러한 회로의 저항은 0.2 mOhm이었다. 이러한 "고정" 외부 단락 회로에 의해 방출되는 에너지는 한 유형의 내부 단락 회로와 유사한 것으로 간주할 수 있다. 피크 전력(다시 말하면, 플롯(plot)의 피크) 및 에너지 방출 형태 및 지속기간(다시 말하면, 상기 피크 이후에 감소하는 플롯)은 외부 단락 회로 결과들(660)과 비교하여 열폭주 개시 장치 결과들(664) 간의 적절한 매치(match)를 보여준다. 플롯(664)의 피크는 상기 저항 가열 요소에서의 전력 펄스의 피크이다. 예컨대, 상기 회로에 가변 저항기들을 추가하거나, 또는 하나보다 많은 펄스를 사용해 펄스폭을 변경하고 펄스의 높이를 변경함으로써 추가 회로의 사용을 통해 다양한 배터리 크기 및 형상에 대해 에너지 방출의 형태를 추가로 제어하고 미세조정할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 추가 회로는 사기 가열 요소에 직렬로 추가되지만, 변형 실시 예들은 직렬 및/또는 병렬로의 추가 회로의 조합을 사용할 수 있다.

도 7은 0 내지 2초 시간 범위에서의 도 6의 그래프를 확대하여 보여주는 도면이다. 여기서 유념할 점은 이와는 대조적으로, 도 6이 0 내지 30 시간 범위를 보여준다는 점이다. 도 7에서, 상기 가열 요소(664)에서 생성된 전력은 초기에 0 내지 약 0.1 초에서 약 17kW로 급격히 상승한다. 그리고 나서, 약 1.8 초까지 전력이 점차 감소하고 약 1.8 초에서는 전력이 크게 떨어진다. 상기 가열 요소에서의 전력의 이러한 급격한 증가에 이은 감소는 본 개시내용에 따른 가열 요소에서 생성될 수 있는 전력 펄스의 한 예이다.

도 8은 가열 요소(802)의 풋프린트 표면적을 나타내는 열폭주를 개시하기 위한 대표적인 장치(800)를 보여주는 도면이다. 풋프린트 표면적(footprint surface area; FSA)은 일반적으로 가열 요소 주위에 그려진 외부 둘레에 의해 둘러싸인 영역을 언급한다. 상기 FSA는 이러한 실시 예에서 점선(866)으로 표시되어 있다. 도 8의 실시 예에서의 FSA는 FSA = FSAw x FSAh로 계산된다. 상기 FSA는 셀(806)의 총 외부 표면적보다 작으며, 모든 측면들의 면적의 합으로 계산된다. 이러한 실시 예에서, FSA는 다음과 같이 계산될 수 있다: 2(CELLw x CELLh) + 2(CELLw x CELLt) + 2(CELLh x CELLt).

한 실시 예에서, 상기 가열 요소(802)의 FSA는 상기 배터리 셀(806)의 총 표면적에 대해 특정 크기(예컨대, 비율)로 선택될 수 있다. 더욱이, 도 8의 실시 예에서의 FSA가 직사각형 형상을 지니지만, 이는 제한하려는 의미가 아니다. 다른 실시 예들에서, 가열 요소는 정사각형, 원형, 또는 타원형 형상을 포함하지만 이에 국한되지 않는 임의의 다른 적합한 형상 또는 레이아웃을 지닐 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 복잡한 저항 가열 요소 패턴을 지니는 평면형 시트 형태의 연속적인 금속 요소이다. 저항 가열 요소 패턴이라는 용어는 일반적으로 적어도 하나의 실시 예에서 하나 이상의 저항 가열 요소 자체의 전도성 "트랙"의 형상, 크기 및 레이아웃을 언급한다. "복잡한(complex)"이라는 용어는 일반적으로 저항 가열 요소에 의해 방출된 열을 물리적으로 집중시키기 위해 상기 가열 요소의 한 세그먼트가 상기 가열 요소의 하나 이상의 다른 세그먼트들에 근접한 레이아웃을 지니는 저항 요소를 언급한다. 가열 요소 패턴들의 예들은 상기 가열 요소가 앞뒤로 반복되는 도 2, 도 9, 도 10, 및 도 11을 포함하여 본 개시내용에서 도시되고 설명되어 있다. 여기서 이해할 점은 다른 어느 적합한 패턴들이 고려되고 가능함에 따라 본 개시내용이 도시된 실시 예들에 국한되지 않는다는 점이다. 다른 패턴들은 나선형 패턴들, 십자형 패턴들 및 중첩 패턴들을 포함하지만 이들에 국한되지는 않는다.

도 9는 본 개시내용의 한 실시 예에 따른 가열 요소(920)의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 상기 가열 요소는 평면 형상일 수 있으며, 일반적으로 편평한 형상을 지니지만 두께(T)를 지니는 것을 의미한다. 일반적으로 평면형 형상은 상기 가열 요소(920)가 예컨대 배터리 팩 내 인접한 배터리 셀들 간의 좁은 공간 내에 삽입되는 것을 허용할 수 있다. 상기 가열 요소는 구불구불한 서브-요소들(922)을 지닐 수 있다. 상기 두께(T)는 임의의 적절한 값일 수 있다. 다양한 실시 예에서, 상기 두께(T)는 예를 들어 대략 1mm, 2mm, 3mm, 4mm, 5mm, 이들 간의 임의의 값, 1mm보다 작거나, 또는 5mm보다 큰 값일 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 가열 요소(920)는 5mm 이하의 두께(T)를 지닌다. 상기 가열 요소의 두께(T)는 상기 가열 요소의 원하는 저항에 부분적으로 기초하여 이루어질 수 있고, 여기서 저항은 상기 요소의 스트랜드(strand)의 단면적과 상기 요소의 길이를 승산함으로써 계산될 수 있다. 따라서, 상기 두께를 증가시키면 저항이 비례적으로 감소될 수 있다.

다른 실시 예들에서, 상기 가열 요소는 배터리 셀의 표면에 모울딩(molding)되거나 이와는 달리 형상화될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 가열 요소는 그 형상이 배터리 셀의 외부 표면에 상응하게 변형되는 것을 허용하도록 구부릴 수 있거나 유연한 재료로 만들어질 수 있다. 이러한 옵션들은 상기 배터리 셀의 표면이 편평하지 않은 경우, 예를 들어 원통형 배터리가 사용될 때 적합할 수 있다.

상기 가열 요소(920)는 임의의 적합한 재료나 재료들로 만들어질 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 금속 또는 금속 합금을 포함하거나 본질적으로 금속 또는 금속 합금으로 이루어진다. 한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 니켈과 크롬의 합금인 니크롬으로 전체적으로 또는 부분적으로 만들어진다. 상기 니크롬의 조성은 대략 80% 니켈 및 20% 크롬, 또는 임의의 다른 적절한 비율일 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 금속은 텅스텐을 포함할 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 철-크롬-알루미늄(FeCrAl) 합금을 포함할 수 있다.

도 10 및 도 11은 2개의 서로 다른 대표적인 저항 가열 요소를 보여준다. 도 10의 요소(1002)는 수공으로 만들어진 것이고 구리 조인트들(1032)에 의해 결합되고 2개의 구리 스트립(1034) 사이에 연결된 크롬 A(니크롬)로 만들어진 여러 개의 개별 저항 요소(1030)를 포함한다. 도 11의 요소(1102)는 정밀 가공되었고 2개의 구리 스트립(1134) 사이에 연결된 니크롬으로 만들어진 금속 저항 가열 요소 부분(1130)을 포함한다. 금속 저항 가열 요소 부분(1130)은 복수의 구불구불한 서브-요소들(1132) 및 스트립들(1134)과 같은 한 쌍의 도체들과의 연결을 위한 한 쌍의 연결 탭들(1133)을 포함한다. 가열 요소(1102)의 FSA는 이러한 실시 예에서 점선(1166)으로 표시되어있다. 가열 동안 탭들(1133)의 온도가 전형적으로 상기 구불구불한 서브-요소(1132)의 온도보다 훨씬 낮기 때문에, 도 11에 도시된 FSA(1166)는 상기 연결 탭들(1133)을 포함하지 않는다. 그러나 다른 실시 예들에서 연결 탭들은 상기 FSA의 일부를 형성하는 것으로 간주할 수 있다.

한 실시 예에서, 상기 가열 요소(402)의 FSA는 상기 배터리 셀의 케이싱의 총 외부 표면적의 20% 이하이다. 한 실시 예에서, 상기 가열 요소(402)의 FSA는 총 외부 표면적의 10% 이하이다. 한 실시 예에서, 상기 가열 요소(402)의 FSA는 총 외부 표면적의 5% 이하이다. 한 실시 예에서, 상기 가열 요소(402)의 FSA는 총 외부 표면적의 5% 내지 10% 범위 내에 있다. 다른 실시 예들에서, 상기 FSA는 상기 전체 외부 표면적의 상이한 백분율을 지닐 수 있다.

도 12는 정밀 가공된 다른 한 대표적인 저항 가열 요소(1202)를 보여주는 사진이다. 요소(1202)는 니크롬으로 만들어지고, 복수의 구불구불한 서브-요소들(1232) 및 구리 와이어들 또는 스트립들과 같은 한 쌍의 도체와의 연결을 위한 한 쌍의 연결 탭들(1233)을 포함한다.

한 실시 예에서, 전기 절연 장벽은 상기 저항 가열 요소가 다른 방식으로 접촉하게 되는 임의의 다른 표면으로부터 상기 저항 가열 요소를 전기적으로 분리시키도록 상기 저항 가열 요소 외부에 제공된다. 상기 저항 가열 요소를 전기적으로 분리시키는 예는 가열 요소 및 배터리 셀 간에 전기 절연체를 배치하는 것이다. 일부 실시 예들에서, 상기 가열 요소는 외부 세라믹 코팅을 포함한다. 다른 한 실시 예에서, 상기 전기 절연 장벽은 세라믹계 페이스트와 같은 페이스트일 수 있다.

또한, 한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 상기 세라믹 코팅 외부에 있을 수 있는 구리 코팅과 같은 열 전도성 코팅을 포함한다. 세라믹 코팅은 전도성 가열 요소 재료를 전기적으로 분리시킬 수 있지만, 상기 열 전도성 코팅은 상기 가열 요소 재료로부터 상기 배터리 셀의 케이싱으로 열의 전달 및/또는 분포를 촉진 또는 개선하기 위해 열 전도성 표면을 제공한다.

또한, 한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소는 상기 열 전도성 코팅의 외부에 있을 수 있는 페이스트와 같은 열 전도성 재료를 포함한다. 상기 페이스트는 물리적 접촉을 개선하고 그에 따라 상기 저항 가열 요소 및 상기 배터리 셀의 케이싱 간의 열 에너지 전달을 개선할 수 있다. 적어도 일부 실시 예들에서, 니켈계 페이스트가 상기 가열 요소 및 상기 배터리 셀 간의 열 전달 속도를 크게 개선하는 것으로 밝혀졌다. 상기 열 전도성 페이스트는 니켈계 페이스트를 포함하지만 이에 국한되지 않는 임의의 적합한 유형의 페이스트일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 프로세스에서의 열 전달 속도 제한 성분은 상기 배터리 셀의 외부 케이싱의 열 전달 속도이다.

도 13은 다수의 옵션 코팅을 포함하는 대표적인 저항 가열 요소(1302)를 나타내는 도면이다. 니크롬 또는 임의의 어느 다른 적절한 재료로 만들어질 수 있는 저항 가열 요소(1302)에는 세라믹과 같은 전기 절연 장벽 코팅(1350)이 제공된다. 그리고 나서, 가열 요소(1302)에는 구리와 같은 열 전도성 코팅(1352)이 제공될 수 있다. 일반적으로, 열 전도성 코팅(1352) 및 상기 저항 가열 요소(1302A)의 니크롬 또는 다른 재료 사이에는 전기적 접촉이 없어야 한다. 또한, 가열 요소(1302)의 연결 탭들(1233)은 구리 와이어들 또는 스트립들(1334)과 같은 한 쌍의 도체에 연결될 수 있다.

또한, 다양한 물리적 치수 값들이 단지 예들인 도 13에 도시되어 있다. 이러한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소(1302)는 임의의 코팅 전에 길이 50mm, 폭 24.5mm, 및 두께 1mm를 지닌다. 전기 격리 장벽(1350)으로 코팅된 가열 요소(1302)의 부분은 대략 30mm이고, 상기 전기 절연 장벽(1350)은 대략 50μm 두께이다. 그리고 나서, 열 전도성 코팅(1352)으로 코팅된 가열 요소(1302)의 부분은 대략 28.5mm이고, 열 전도성 코팅(1352)은 대략 500 μm 두께이다. 그러나 구리와 같은 두꺼운 열 전도성 코팅(1352)은 배터리 셀 케이싱과의 열 접촉을 잠재적으로 개선하기 위해 매끄러운 표면이 코팅(1352)의 외부 표면에서 기계가공되는 것을 허용할 수 있다. 또한, 상기 가열 요소(1302)는 상기 열 전도성 코팅(1352)이 제공된 후 적어도 2mm의 두께를 지닌다. 다시, 이러한 실시 예의 물리적 치수들은 단지 예일 뿐이므로 제한하려는 의미가 아니다.

다른 실시 예들에서, 상기 저항 가열 요소의 풋프린트 표면적(FSA)은 5.4 cm²(도 13의 실시 예), 5.6 cm²(도 18의 실시 예) 또는 다른 임의의 적절한 값을 포함하여 5.0 내지 6.0 cm² 범위일 수 있다.

도 14는 세라믹 전기 절연체 재료(1406)로 코팅된 다음에 구리 열 전도성 재료(1408)로 코팅돈 도 12의 저항 가열 요소(1402)를 보여주는 사진이다. 니크롬으로부터 구리를 전기적으로 분리시키기 위해 상기 가열 요소(1402)의 노출된 니크롬(1404) 및 구리 전도성 재료(1408) 간에 참조번호 1406으로 나타낸 물리적 간격이 있다.

앞서 기재한 바와 같이, 사용시, 상기 저항 가열 요소는 배터리 셀의 영역으로 열을 전달하기 위해 상기 배터리 셀과 열 접촉하게 위치될 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 에너지 소스는 상기 가열 요소에 전기적으로 연결되고, 에너지는 스위치에 의해 상기 가열 요소로 전달되며, 상기 스위치는 상기 가열 요소를 통해 전류 펄스를 전송하여 상기 가열 요소에서의 전력 펄스를 생성하기 위한 회로를 선택적으로 형성한다. 상기 가열 요소로 전달되는 에너지는 열을 생성시키고, 이러한 열은 상기 가열 요소에 근접한 배터리 셀의 영역을 가열하고, 특정 상황에서는, 예를 들어 열이 임계 온도를 초과할 때 열폭주가 개시된다. 임계 온도는 경우에 따라 다를 수 있으며 일반적으로 상기 배터리 셀의 유형, 크기, 형태, 상기 배터리 셀이 만들어지는 재료와 같은 배터리 셀의 특성들 중 하나 이상에 의존하게 된다. 상기 내부 배터리 온도는 일반적으로 열폭주를 유발하는 발열 반응들을 개시하기 위해 150 내지 220℃ 범위 내에 있어야 하지만, 상기 내부 배터리의 온도는 이러한 범위를 벗어날 수도 있다.

또한, 상기 배터리 셀의 영역이 임계 온도에 도달하게 하기 위해 상기 배터리 케이싱의 외부 표면에서 요구되는 온도는 또한 일반적으로 상기 케이싱의 두께, 상기 케이싱이 만들어지는 재료 등과 같은 상기 배터리의 특성에 의존하게 된다. 예를 들어, 상기 케이싱이 두꺼울 때 상기 외부 표면에서 상대적으로 높은 온도가 요구될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 단일 전류 펄스는 상기 가열 요소를 통해 전송된다. 상기 단일 펄스는 하나 이상의 커패시터들과 같은 에너지 소스에 저장된 에너지의 돌발적이고 빠른 방출에 의해 생성될 수 있다.

열폭주를 개시하려면 일반적으로 상기 가열 요소 자체가 임계 온도 이상으로 가열되어야 한다. 상기 가열 요소는 사전에 정의된 온도로 가열될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 가열 요소는 상기 가열 요소가 고장 나지 않고(예컨대, 타버리지 않고) 견딜 수 있는 최고 온도 부근 또는 바로 아래의 온도로 가열된다. 이는 일반적으로 특정 가열 요소로 가능한 배터리 셀의 가장 빠른 가열을 제공한다. 그러나 다른 실시 예들에서, 상기 가열 요소는 예를 들어 상기 배터리 케이스의 용융을 방지하거나 느리게 하거나 또는 다른 어느 적절한 이유로 상기 가열 요소가 견딜 수 있는 것보다 낮은 온도로 가열될 수 있다. 상기 가열 요소는 200 내지 1400℃ 온도 또는 다른 어느 적절한 값으로 가열된다. 일부 실시 예들에서, 상기 가열 요소는 약 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 또는 1500℃의 온도, 또는 이들 값보다 낮거나 높은 임의의 값, 또는 이들 값 사이의 임의의 값으로 가열된다. 상기 온도는 일반적으로 가열 요소의 유형, 테스트중인 배터리 셀의 유형, 배터리 케이스의 특성 등과 같은 하나 이상의 인자들에 의존한다.

상기 저항 가열 요소의 특성은 요구되는 열 에너지의 양, 배터리 셀의 형태 및/또는 크기, 및 에너지 소스와 같은 전체 장치의 구성요소들와 같은 하나 이상의 인자들에 기초하여 선택될 수 있다. 상기 저항 가열 요소의 특성은 상기 가열 요소의 크기, 형태, 두께, 재료 및 풋프린트 표면적(FSA)을 포함할 수 있다. 또, 상기 풋르린트 표면적은 일반적으로 상기 가열 요소 주위에 그려진 주변 라인에 의해 정의된 영역을 언급한다.

한 실시 예에서, 중요한 설계 특성은 에너지 소스로부터의 에너지 방출 결과로서 저항 가열 요소에서의 전력 펄스에 의해 생성된 저항 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도이다. 열 유속 밀도는 평방미터당 와트(W/m²) 단위로 측정된다. 와트 단위의 전력은 상기 저항 가열 요소에서의 가열 전력이고, 평방 미터 단위의 영역은 상기 저항 가열 요소의 풋프린트 표면적이다. 한 실시 예에서, 상기 전력 펄스에 의해 생성된 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도는 적어도 1,000,000 평방미터당 와트(W/m²)이다. 한 실시 예에서, 상기 전력 펄스에 의해 생성된 저항 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도는 적어도 800,000 평방미터당 와트(W/m²)이다. 한 실시 예에서, 상기 피크 열 유속 밀도는 적어도 6,000,000 W/m²이다. 다른 실시 예들에서, 상기 피크 최대 열 유속 밀도는 적어도 2,000,000 W/m², 적어도 1,000,000 W/m², 또는 다른 어느 적합한 값이다.

한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소의 특성은 선택될 수도 있고 커패시터 특성과 매칭될 수도 있다. 일부 실시 예들에서, 저항 가열 요소 특성은 예를 들어 원하는 에너지 펄스 특성을 제공하기 위해 회로 특성과 매칭된다. 일부 실시 예들에서, 상기 저항 가열 요소 및/또는 상기 회로의 설계는 상기 배터리 셀의 특성에 기초하여 이루어질 수 있다. 대표적인 배터리 셀들은 작은 열 질량을 지니는 얇은 배터리들의 일부 또는 큰 열 질량을 지니는 큰 벽돌(brick)형 배터리들의 일부일 수 있다.

상기 저항 가열 요소에서 강한 에너지 펄스를 생성하기 위해, 일부 실시 예들에서, 하나 이상의 커패시터들과 같은 에너지 소스는 에너지를 신속하게 방출할 수 있다. 적어도 일부 실시 예들에 있어서, 상기 에너지 소스는 외부 단락 회로에서 관찰되는 유사한 프로파일 또는 형태를 지니는 피크 전력을 제공할 수 있는 것이 바람직하며, 이는 1차 붕괴로 특징 지워지고 대략 30초가 95% 에너지 고갈로 소요되는 것으로 특징 지워진다. 따라서, 적어도 일부 실시 예들에서, 상기 에너지 소스는 지수함수형 감쇠 함수에 따라 전력을 제공한다.

한 실시 예에서, 상기 에너지 소스는 일단 에너지 전달 스위치가 폐쇄되면 60초 이내에 상기 에너지 소스의 전기 에너지, 또는 충전의 95% 이상을 방전할 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 에너지 소스는 일단 상기 에너지 전달 스위치가 폐쇄되면 30초 이내에 상기 에너지 소스의 전기 에너지의 95% 이상을 방전할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 95%의 에너지 고갈 또는 방전에 이르기까지의 시간은 2초 내지 60초 범위, 120초 이하, 또는 다른 어느 적절한 시간 또는 시간 범위일 수 있다. 여기서 이해할 점은 이러한 에너지 고갈 값들 및 경과 시간 값들이 단지 예로서 제공된 것이며 제한하려는 의미가 아니라는 점이다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 에너지 소스는 하나 이상의 커패시터들을 포함할 수 있고, 일부 실시 예들은 하나 이상의 슈퍼 커패시터를 포함할 수 있다. 적어도 일부 실시 예들에서, 울트라 커패시터는 그의 에너지 방출이 종래의 일정한 DC 전력 소스가 제공할 수 있는 것보다 훨씬 높고 빠르기 때문에 양호한 선택인 것으로 결정되었다.

배터리 또는 에너지 소스의 방전 속도는 "C- 레이트"로 정량화될 수 있다. 상기 C-rate는 배터리 또는 다른 에너지 소스가 자신의 최대 용량에 대해 방전되는 속도를 측정한 것이다. 한 실시 예에서, 상기 배터리 셀의 킬로와트(kW) 단위의 표준 1C C- 레이트 정전류 방전 사이클 전력에 대한 상기 에너지 소스의 방전 동안 저항 가열 요소에서의 kW 단위의 피크 가열 전력의 비는 적어도 50 대 1이다. 한 실시 예에서, 상기 비는 적어도 100 대 1이다. 그러나 다른 실시 예들에서, 상기 비는 상대적으로 낮거나 높을 수 있다. 수행된 실험에서, 테스트된 배터리 셀들은 4.2V x 45A = 189W의 표준 1C 방전 전력을 지녔다.

상기 저항 가열 요소에서의 에너지 펄스에 의해 생성된 피크 가열 전력은 실시 예마다 변할 수 있고, 열폭주를 시작하기에 충분한 온도로 배터리 셀의 영역을 가열하기 위해 얼마나 많은 열이 필요한지에 의존할 수 있다. 한 실시 예에서, 피크 가열 펄스는 약 17kW의 피크 가열 전력을 초래한다. 다른 실시 예들에서, 상기 피크 가열 전력은 10kW 내지 23kW 범위에 있을 수 있다. 그러나 이러한 값들은 단지 예일 뿐이다. 일부 실시 예들에서, 상기 가열 전력은 신뢰할 수 있는 열폭주를 제공하면서 편향되지 않은 결과를 제공하는 레벨로 감소 된다.

일부 실시 예들에서, 열폭주를 개시하기 위해 최소량의 추가 에너지를 도입하는 것이 바람직하다. 추가의 인가된 에너지의 척도는 상기 배터리 셀에 에너지 저장 용량에 대한 상기 가열 요소에 의해 소비되는 열 에너지의 비일 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 비는 1 미만이다. 한 실시 예에서, 상기 배터리 셀의 킬로주울(kJ) 단위의 에너지 저장 용량에 대한 상기 에너지 소스의 방전 동안 저항 가열 요소에 의해 소비되는 kJ 단위의 열 에너지의 비는 0.02 내지 0.04 범위 내에 있다. 한 실시 예에서, 상기 비는 0.10 미만이다. 한 실시 예에서, 상기 비는 약 0.03, + 또는 - 0.005이다. 다른 실시 예들에서, 상기 비율은 이들 범위 및 값을 벗어날 수 있다.

본 개시내용에 따른 기법들과는 달리, 상기 배터리 셀이 훨씬 더 긴 시간에 걸쳐 느리게 가열되는 경우를 의미하는 일부 기존의 저속 가열 방법에서, 상기 비율은 훨씬 높다. 예를 들어, 기존의 일부 방법은 약 800 대 1의 비를 지니는데, 이것이 의미하는 것은 상기 배터리 셀에 저장된 전기 에너지가 가열되는 것보다 800배 많은 에너지가 열(heat)의 형태로 적용되는 것을 의미한다. 이러한 추가 열의 대부분은 주변 셀들에 흡수되어 고장 전파 결과를 심각하게 편향시킨다.

이제 본 개시내용에 따른 장치로 되돌아가면, 상기 저항 가열 요소에 의해 소비되는 총 에너지는 배터리 셀(들) 및 테스트 시나리오에 따라 실시 예마다 변하게 된다. 한 실시 예에서, 상기 저항 가열 요소에 의해 소비되는 총 에너지는 약 15 내지 25 kJ 범위 내에 있지만, 상대적으로 넓은 범위가 가능하다. 한 대표적인 실시 예에서, 소비되는 총 에너지는 680kJ의 측정된 에너지 저장 용량을 지니는 셀에 적용되는 대략 22kJ이다. 따라서 상기 비율은 22kJ/680kJ = 0.032이다. 일부 실시 예들에서, 열폭주의 신뢰성 있는 개시를 보장하기 위해 필요한 만큼의 적은 에너지가 적용된다. 일부 실시 예들에서, 최대 적용 에너지는 상기 에너지 소스에 의해 제한된다.

적어도 일부 실시 예들에서, 상기 가열 요소는 고장 전에 피크 전력을 전달할 수 있는 것이 바람직하다. 일부 실시 예들에서, 상기 저항 가열 요소로 전달되는 몹시 가파른 양의 에너지는 상기 가열 요소를 손상시킨다. 전력 펄스는 상기 가열 요소가 이전의 전력 펄스와 유사한 추가 전력 펄스를 생성할 수 없도록 상기 가열 요소를 손상시키기에 충분한 전력을 지닐 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 가열 요소는 더 유용한 전력 펄스를 생성할 수 없다.

본 개시내용에 따른 적어도 일부 실시 예들은 주변 셀들을 예열하지 않고 타깃 셀에서 열폭주를 개시할 수 있다. 예열된 셀들은 열폭주 임계 온도에 더 가깝기 때문에 전파 결과들을 편향시키는 것으로 알려져 있다. 하나 이상의 다른 배터리 셀들이 상기 타겟 배터리 셀에 근접하거나 이와 접촉하는 경우, 이러한 다른 셀들 중 하나 이상으로 전달되는 열이 있을 수 있다. 그러나 일부 실시 예들에서, 다른 셀들로 전달되는 열량을 낮게 유지하는 것이 목표이다. 이는 다수의 셀을 포함하는 전체 배터리를 가열하거나, 또는 타깃 셀과는 다른 셀들이 가열되도록 상기 배터리의 넓은 영역을 가열하는 것과는 대조적이다.

본원 명세서에 기재되어 있는 실시 예들은 전기 자동차, 셀폰, 비행기, 헬리콥터 또는 군용 하드웨어에 전력을 공급하기 위한 배터리 및 재생 가능하거나 재생 불가능한 소스로부터의 벌크 에너지의 대규모 저장을 위한 배터리에 적용될 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다. 본원 명세서에 기재되어 있는 실시 예들은 위험한 물품의 운송 또는 배터리들의 운송과 관련하여 사용될 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다.

본 개시내용에 따른 실시 예는 여러 번 구성되고 테스트되었다. 이러한 실시 예는 약 25cm²의 풋프린트 표면적(FSA)을 제공하도록 약 120밀리-오옴의 저항 및 약 5cm x 5cm의 치수를 지니는 저항 가열 요소를 포함하였다. 테스트중인 배터리 셀은 0.5cm의 두께와 함께 약 15cm x 19cm의 치수를 지녔는데, 상기 두께는 무시할 수 있는 것으로 간주하였다. 따라서 상기 셀의 총 외부 표면적은 약 570cm²(285cm² x 2변)이다. 따라서, 상기 셀의 총 외부 표면적에 대한 상기 저항 가열 요소의 FSA는 약 4.4%이었다. 테스트된 배터리 셀은 4.2V x 45A = 189W의 표준 1C 방전 전력을 지녔다. 상기 가열 요소에서의 피크 가열 전력은 약 17kW이었고, 결과적으로는 상기 셀의 1C 방전 전력에 대한 피크 가열 전력의 비는 약 90(17kW/0.189kW)이었다. 상기 에너지 소스의 95% 에너지 고갈에 이르기까지의 시간은 약 30초이었다. 상기 가열 요소에 적용된 총 에너지는 약 22 kJ이었고, 상기 배터리 셀의 정격 전기 에너지에 대한 상기 적용된 에너지의 비는 대략 3.2%이었다.

이러한 테스트 실시 예는 주위 작동 온도(0℃ 내지 25℃)에서 파우치형 셀 및 프리즘형 셀을 포함하는 다양한 셀 형상에 대해 12회 테스트되었다. 타깃 셀에서 열폭주가 10회 성공적으로 개시되었다. 여기서 의심되는 점은 첫 번째 고장이 상기 가열 요소의 불량한 설치에 기인한 것으로 상기 가열 요소 및 상기 셀 간의 열 접촉이 불량하였다는 점이다. 여기서 의심되는 점은 두 번째 고장이 프리즘형 배터리 셀의 낮은 주변 온도(0℃) 및 두꺼운 셀 케이스 절연에 기인한 것이었다는 점이다.

도 15는 본 개시내용에 따른 한 실시 예에서의 배터리 셀에서 열폭주를 개시하기 위한 프로세스를 보여준다.

상기 프로세스는 블록 1500에서 개시되고, 블록 1502로 진행하여 저항 가열 요소가 상기 배터리 셀의 영역으로 열을 전달하기 위해 상기 배터리 셀과 열 접촉하게 제공된다.

상기 프로세스는 상기 저항 가열 요소에 전기적으로 연결된 에너지 소스가 제공되는 블록 1504로 진행한다.

상기 프로세스는 열폭주를 개시하기 위해 상기 배터리 셀의 영역을 가열하도록 상기 저항 가열 요소를 통해 전류 펄스를 전송하여 상기 저항 가열 요소에서의 전력 펄스를 생성하기 위한 회로가 선택적으로 형성되는 블록 1506으로 진행한다.

상기 프로세스는 블록 1508로 진행하여 종료된다.

본 개시내용의 다른 한 실시형태에 의하면, 배터리 셀은 열폭주를 개시할 목적으로 상기 배터리 셀과 열 접촉하게 위치되는 저항 가열 요소에 전류를 제공하고 이를 제어함으로써 생성된 열을 통해 국소적으로 가열된다. 상기 수법은 폐루프 제어를 이용하고 적어도 2가지 단계를 포함하는데, 그 중 제1 단계는 상기 저항 가열 요소를 사전에 결정된 온도로 빠르게 가열하는 것이고, 제2 단계는 열폭주가 개시될 때까지 다소 사전에 결정된 온도로 상기 저항 가열 요소를 유지하는 단계를 포함한다. 상기 2가지 단계는 일반적으로 "램프(ramp)" 및 "세트(set)"로 언급될 수 있다. 따라서, 일부 실시 예들에서, 단일 전류 펄스 대신에 램프 및 세트 수법이 사용된다.

한 셀에서 열폭주를 유도하기 위한 효율적이고 효과적인 프로세스가 적어도 2가지 단계를 포함하는 것으로 결정되었다. 그 중 제1 단계는 배터리 셀에서 열폭주를 유도하기 위해 임계 온도보다 높은 온도로 가열 요소를 빠르게 가열하도록 고 전력을 적용하는 단계를 포함하고, 제2 단계는 열폭주가 시작될 때까지 가열 요소 온도를 유지하기 위해 소량의 전력을 적용하는 단계를 포함한다.

한 실시 예에서, 상기 제1 단계는 예를 들어 약 1 내지 3초 범위의 매우 짧은 지속시간을 지닐 수 있다. 진정한 내부 단락 회로 결함의 열 생성 프로파일을 시뮬레이션하기 위해 적어도 일부 실시 예에서 짧은 제1 단계를 제공하는 것이 일반적으로 바람직하다. 짧은 제1 단계는 또한 인접 셀들로 전달되는 열의 양을 제한할 수 있다. 상기 제2 단계의 지속시간은 적어도 일부 실시 예들에서 상기 배터리 셀의 케이싱 또는 벽의 열 전도성 및 두께에 의해 제한된다. 따라서, 상기 지속시간은 일반적으로 특정 배터리 셀에 따라 달라진다. 이러한 지속시간은 상기 배터리 셀의 물리적 특성에 의해 속도 제한을 받을 수 있고, 결과적으로는 단지 더 많은 전력을 적용한다고 해서 반드시 이러한 프로세스가 가속화되지 않게 된다.

현재의 2가지 단계 수법은 내부 단락 회로 이벤트를 시뮬레이션하는 배터리 셀의 빠른 온도 상승으로 인해 인접한 배터리 셀들로 전달되는 열 에너지의 양을 감소시켜서, 너무 많은 전력의 적용에 기인하여 가열 소자가 고장이 날 가능성을 감소시켜 대부분의 열이 주변 환경이 아니라 상기 배터리 셀에 적용되게 하여 열폭주가 타깃 배터리 셀에서 개시됨을 높은 확실도로 보장하는 것을 포함함으로써, 이전의 수법들에 비해 하나 이상의 이점들을 지닐 수 있다.

도 16a는 2가지 단계 램프 및 세트 수법을 예시하기 위해 본 개시내용에 따른 시간에 대해 나타낸 온도들의 한 대표적인 그래프이다. 라인 1602는 가열 요소의 온도(T_element)를 나타내고 라인 1604는 타깃 배터리 셀의 온도(T_initiator _cell)를 나타낸다. 제1 단계에서, 상기 가열 요소는 상기 셀에서 열폭주를 개시하는데 필요한 임계 온도(T_critical)보다 높은 사전에 결정된 온도(T_set)로 빠르게 가열된다. 제1 단계는 시간 t0에서 개시하여 시간 t1에서 종료될 수 있으며, 이러한 지속시간은 최대 2초, 최대 3초 또는 다른 어느 적절한 값일 수 있다.

제2 단계에서, 상기 가열 요소의 온도(T_element)는 타깃 배터리 셀의 온도(T_{initiator cell})가 임계 온도(T_critical)에 도달하고 시간 t2에서 발생하는 것으로 도시되어 있는 열폭주가 개시될 때까지 다소 사전에 결정된 온도(T_set)로 유지된다.

시간들(t0, t1) 간의 지속시간, t1 및 t2 간의 지속시간, 및 임계 온도(T_critical)는 일반적으로 모두 타깃 배터리 셀의 물리적 및 화학적 특성에 의존한다. 또한, 시간들(t0, t1) 간의 지속시간은 또한 일반적으로 상기 가열 요소에 적용되는 전력량에 의존한다.

타깃 배터리 셀에 대해 가장 가까운 인접 배터리 셀의 온도(T_neighbour _cell)는 라인 1606으로 나타나 있다. 상기 인접 셀의 온도는 상기 타깃 배터리 셀 및 상기 가열 요소의 온도들에 비해 매우 낮게 유지되는 것으로 도시되어 있다.

도 16b는 2가지 단계 램프 및 세트 수법을 예시하는 실험으로부터 시간에 대해 나타낸 온도들의 그래프이다. 이러한 그래프는 실제 온도 및 시간 값들을 보여준다. 예를 들어, 상기 가열 요소는 라인 1612로부터 도시된 바와 같이 주위 온도로부터 대략 900℃로 가열된다. 개시자 셀(initiator cell)로서 언급되는 배터리 셀의 온도는 상승하여 시간 t2 부근에서 열폭주에 도달하고 상기 배터리 셀의 온도는 라인 1614로부터 도시된 바와 같은 열폭주의 결과로서 계속 상승한다. 인접 셀의 온도는 라인 1616으로 나타나 있고, 상기 개시자 셀이 시간 t2 및 t3 간의 기간을 의미하는 열폭주에 진입하는 경우조차도 온도를 인접 셀의 온도를 임계 열폭주 온도 미만으로 유지하면서 t3까지 열폭주에 들어가지 않는다.

도 16a 및 도 16b은 열폭주를 개시하기 위한 2가지 단계 수법을 예시하기 위한 예들로 제공된 것이다. 그래프들의 라인 플롯들, 온도 값들, 시간들 및 기타 특징들은 단지 예일 뿐이므로 제한적인 의미가 아니다.

한 실시 예에서, 열폭주를 개시하기 위한 장치는 상기 가열 요소에 대한 전류를 제어함으로써 상기 가열 요소의 온도를 제어하기 위해 폐루프 제어를 사용한다. 상기 장치는 일반적으로 가열 요소, 에너지 소스, 온도 센서 및 온도 제어기를 포함한다.

상기 가열 요소는 저항 가열 요소 또는 다른 어느 적합한 유형의 가열 요소 일 수 있다. 상기 에너지 소스는 상기 가열 요소에 전류 또는 다른 형태의 에너지를 공급할 수 있다. 상기 에너지 소스는 직류(direct current; DC) 전력 공급원 또는 다른 어느 적절한 유형의 에너지 소스일 수 있다. 상기 온도 센서는 상기 저항 가열 요소의 온도를 감지한다. 상기 온도 센서는 열전쌍(thermocouple) 또는 다른 어느 적절한 감지 메커니즘일 수 있다. 상기 온도 제어기는 상기 저항 가열 요소가 사전에 결정된 온도로 가열되게 하고 상기 저항 가열 요소의 온도 감지에 응답하여 사전에 결정된 온도로 유지되게 한다. 한 실시 예에서, 상기 온도 제어기는 펄스 폭 변조(pulse-width-modulation; PWM)를 사용하여 상기 가열 요소에서 생성되는 전력을 제어한다. 상기 온도 제어기는 상기 가열 요소의 온도 감지에 응답하여 상기 가열 요소에 전류를 제공하도록 릴레이를 제어할 수 있다. 상기 릴레이는 솔리드 스테이트 릴레이 또는 다른 어느 적합한 유형의 릴레이일 수 있다.

도 17은 본 개시내용의 한 실시 예에 따른 열폭주를 개시하기 위한 회로(1700) 형태의 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다. 회로(1700)는 저항 가열 요소(1702) 및 에너지 소스(1720)를 포함한다. 비록 본원 명세서의 실시 예들이 저항 가열 요소를 지니는 것으로 설명되어 있지만, 일부 실시 예들은 하나 이상의 다른 유형의 가열 요소들을 지닐 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 에너지 소스(1720)는 DC 전력 공급원, 예를 들어 24V DC 공급원을 포함한다.

상기 회로(1700)는 상기 에너지 소스(1720)로부터 상기 저항 가열 요소(1702)로의 에너지 전달을 제어하기 위한 온도 제어기 형태의 제어 회로(1740)를 포함할 수 있다. 온도 센서(1741)는 상기 가열 요소(1702)에 제공되어 있으며 온도 제어기(1740)와 통신 가능하게 연결된다.

회로(1700)는 또한 상기 에너지 소스(1720)를 가열 요소(1702)에 전기적으로 연결하기 위한 회로를 선택적으로 형성하는 에너지 전달 스위치 또는 릴레이(1730)를 포함한다. 에너지 전달 릴레이(1730)는 온도 제어기(1740)에 통신 가능하게 연결되어 있으며, 가열 요소(1702)의 온도를 제어하도록 온도 제어기에 의해 제어된다. 비록 에너지 전달 릴레이(1730)가 솔리드 스테이트 릴레이로서 도시되어 있지만, 다른 유형의 릴레이들 또는 스위치들이 사용될 수 있다.

회로(1700)는 또한 상기 에너지 소스(1720)를 가열 요소(1702)에 전기적으로 연결하기 위한 회로를 선택적으로 형성하는 회로 전력 릴레이(1748)를 포함한다. 회로 전력 릴레이(1748)는 단극 단투(single-pole, single throw) 전기기계 릴레이로서 도시되어 있지만, 다른 유형의 릴레이들 또는 스위칭 메커니즘들이 사용될 수 있다. 또한, 회로 전력 릴레이(1748)는 트리거(1746)로 작동되는 것으로 도시되어 있다. 회로 전력 릴레이(1748)는 DC 전력 공급원 또는 배터리와 같은 에너지 소스(1722)에 의해 전력을 공급받을 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 회로(1700)는 열폭주를 개시하기 위해 배터리 셀의 영역을 가열하도록 상기 저항 가열 요소의 온도를 선택적으로 제어하도록 구성된다.

도 18은 저항 가열 요소(1802)의 한 실시 예를 보여주는 도면이다. 가열 요소(1802)는 본원 명세서에 기재되어 있는 다른 실시 예들과 유사할 수 있지만, 하나 이상의 방식으로 상이할 수도 있다. 예를 들어, 한 실시 예에서, 요소(1802)는 니크롬(80/20)을 포함한다. 구불구불한 서브-요소들(1822)의 에지들(예컨대, 코너들)은 모따기(chamfer)될 수 있으며, 이는 분리 장벽 코팅의 적용을 용이하게 할 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 모따기는 약 2mm x 45도일 수 있다. 또한, 가열 요소(1802)는 상기 가열 요소(1802)에 온도 센서(도시되지 않음)의 부착을 용이하게 하기 위한 채널 또는 홈(1804)을 포함할 수 있다. 채널(1804)은 도 18의 실시 예에서와같이 나선형(serpentine shape) 채널일 수도 있고 다른 어느 적절한 형상 및 크기를 지닐 수도 있다. 한 실시 예에서, 나선형을 지니는 채널은 상기 온도 센서가 상기 가열 요소에 고정 연결되어 제조 및 테스트 중에 빠지지 않게 한다.

또한, 가열 요소(1702)의 치수들은 임의의 적절한 값들을 지닐 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 치수들은 대략 다음과 같다: L1은 50mm이고, L2는 10mm이며, L3는 5mm이고, W1은 23.5mm이며, W2는 0.5mm이고, W3은 1.5mm이며, W4 및 W5는 5mm이고, W6 및 W7은 10mm이며, D1(직경)은 3mm이다.

도 19는 본 개시내용에 따른 한 실시 예에서의 배터리 셀에서 열폭주를 개시하기 위한 프로세스를 보여주는 도면이다.

상기 프로세스는 블록 1900에서 개시되고, 블록 1902로 진행하여 저항 가열 요소가 배터리 셀의 영역으로 열을 전달하기 위해 상기 배터리 셀과 열 접촉하게 제공된다.

상기 프로세스는 열폭주를 개시하기 위해 상기 배터리 셀의 영역을 가열하도록 에너지가 상기 저항 가열 요소에 적용되는 블록 1904로 진행한다.

상기 프로세스는 상기 저항 가열 요소의 온도가 감지되는 블록 1906으로 진행한다.

상기 프로세스는 상기 저항 가열 요소가 사전에 결정된 온도로 가열되게 하고 상기 저항 가열 요소의 온도 감지에 응답하여 사전에 결정된 온도로 유지되게 하도록 상기 가열 요소의 온도가 제어되는 블록 1908로 진행한다.

상기 프로세스는 블록 1910으로 진행하여 종료된다.

도 20은 열폭주를 개시하기 위한 장치를 포함하지만 이에 국한되지 않는 본 개시내용에 따른 한 실시 예의 하나 이상의 실시형태들 또는 구성요소들을 구현하는데 사용될 수 있는 한 대표적인 전자 장치(2000)의 블록도이다. 한 실시 예에서, 전자 장치(2000)는 제어 및/또는 처리 기능을 제공하기 위해 사용될 수 있다.

상기 전자 장치(2000)는 중앙 처리 유닛(central processing uni; CPU)(2002), 메모리(2004), 대용량 저장 장치(2006), 입/출력(input/output; I/O) 인터페이스(2010), 및 통신 서브시스템(2012) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 전자 장치(2000)의 구성요소들 또는 서브시스템들 중 하나 이상은 하나 이상의 버스들(2014)에 의해서나 또는 다른 어느 적절한 방식으로 상호연결될 수 있다.

버스(2014)는 메모리 버스, 저장 버스, 메모리 제어기 버스, 주변 버스 등을 포함하는 임의의 유형의 여러 버스 아키텍처 중 하나 이상일 수 있다. CPU(2002)는 FPGA, 마이크로프로세서 및 마이크로컨트롤러를 포함하지만 이들에 국한되지 않는 임의의 유형의 전자 데이터 프로세서를 포함할 수 있다. 상태 기계는 범위를 벗어나지 않고 CPU(2002)로 대체될 수 있다. 메모리(2004)는 DRAM(Dynamic Random Access Memory), SRAM(Static Random Access Memory), SDRAM(Synchronous DRAM), ROM(Read-Only Memory), 이들의 조합 등과 같은 임의의 유형의 시스템 메모리를 포함할 수 있다. 한 실시 예에서, 상기 메모리는 부트업(boot-up)시에 사용하기 위한 ROM 및 프로그램을 실행하는 동안 사용하기 위한 프로그램 및 데이터 저장을 위한 DRAM을 포함할 수 있다.

대용량 저장 장치(2006)는 데이터, 프로그램 및 기타 정보를 저장하고 데이터, 프로그램 및 기타 정보를 버스(2014)를 통해 액세스 가능하게 하도록 구성된 임의의 유형의 저장 장치를 포함할 수 있다. 대용량 저장 장치(2006)는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive; SSD), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive; HDD), 자기 디스크 드라이브, 광 디스크 드라이브 등을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 데이터, 프로그램 또는 기타 정보는 예를 들어 "클라우드(cloud)"에 원격저장 될 수 있다. 전자 장치(2000)는 네트워크 또는 다른 데이터 통신 매체를 통해 통신 서브시스템(2012)을 거치는 것을 포함하여 임의의 적절한 방식으로 원격 저장소로 또는 원격 저장소로부터 정보를 송신 또는 수신할 수 있다.

I/O 인터페이스(2010)는 하나 이상의 다른 장치들(도시되지 않음)을 상기 전자 장치(2000)에 연결하기 위한 인터페이스들을 제공할 수 있다. 다른 장치들은 상기 에너지 전달 스위치(548), 상기 선택 스위치, 상기 제어 회로(540, 상기 회로(504), 상기 에너지 소스(520), 상기 충전 시스템(530), 에너지 전달 릴레이(1730), 온도 센서(1741), 트리거(1746) 및 회로 전력 릴레이(1748))를 제한 없이 포함할 수 있지만 이들에 국한되지 않는다. 또한, 추가 또는 더 적은 인터페이스들이 이용될 수 있다. 예를 들어, USB(Universal Serial Bus)(도시되지 않음)와 같은 하나 이상의 직렬 인터페이스들이 제공될 수 있다.

통신 서브시스템(2012)은 송신 신호 및 수신 신호 중 하나 또는 양자 모두에 제공될 수 있다. 통신 서브시스템들은 하나 이상의 유선 및 무선 인터페이스들을 통한 통신을 가능하게 하는 임의의 구성요소 또는 구성요소의 집합을 포함할 수 있다. 이러한 인터페이스들은 USB, 이더넷, HDMI(High-Definition Multimedia Interface), Firewire(예컨대, IEEE 1394), Thunderbolt™, WiFi™(예컨대, IEEE 802.11), WiMAX(예컨대, IEEE 802.16), Bluetooth™, 또는 근접장 통신(NFC)과 아울러, GPRS, UMTS, LTE, LTE-A, 전용 단거리 통신(DSRC) 및 IEEE 802.11을 포함하지만, 이들에 국한되지 않는다. 통신 서브시스템(2012)은 하나 이상의 유선 연결들(도시되지 않음)을 위한 하나 이상의 포트들 또는 다른 구성요소들을 포함할 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 통신 서브시스템(2012)은 하나 이상의 송신기들, 수신기들 및/또는 안테나 요소들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.

도 20의 전자 장치(2000)는 단지 예일 뿐이며 제한하려는 의미가 아니다. 다양한 실시 예는 도시되거나 설명된 구성요소들 중 일부 또는 전부를 이용할 수 있다. 일부 실시 예들은 도시도 설명도 되지 않았지만 당업자에게 공지된 다른 구성요소들을 사용할 수 있다. 또한, 도 20의 전자 장치(2000)의 경계는 제한하려는 의미가 아니고, 일부 구성요소들이 전자 장치(2000) 외부에 있을 수 있는 반면에 다른 구성요소들은 내부에 있을 수 있다.

이전의 기재에서, 설명을 목적으로 실시 예들의 철저한 이해를 제공하기 위해 여러 세부사항이 설명되어 있다. 그러나 당업자에게 자명하겠지만 이러한 특정 세부사항들이 요구되지 않는다. 다른 경우에, 공지된 전기 구조들 및 회로들은 이해를 모호하게 하지 않기 위해 블록도 형태로 도시되어 있다. 예를 들어, 본원 명세서에 기재되어 있는 실시 예들이 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어 또는 이들의 임의의 조합으로 구현되는지에 관한 특정 세부사항은 제공되지 않는다.

본 개시내용의 실시 예들은 기계 판독가능 매체(컴퓨터 판독가능 매체, 프로세서 판독가능 매체, 또는 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드가 내장된 컴퓨터 사용 가능 매체로서 또한 언급됨)에 저장된 컴퓨터 프로그램 제품으로서 표현될 수 있다. 상기 기계 판독가능 매체는 디스켓, CD-ROM(compact disk read only memory), 메모리 장치(휘발성 또는 비휘발성)를 포함하는 자기, 광학 또는 전기 저장 매체를 포함하는 임의의 적합한 유형의 비-일시적 매체일 수도 있으며, 또는 유사한 저장 메커니즘일 수 있다. 상기 기계 판독가능 매체는 다양한 명령어 세트, 코드 시퀀스, 구성 정보 또는 기타 데이터를 포함할 수 있으며, 이들은 실행될 때 프로세서가 본 개시내용의 한 실시 예에 따른 방법의 단계를 수행하게 한다. 당업자라면 이해하겠지만, 설명된 구현 예들을 구현하는 데 필요한 다른 명령어들 및 동작들이 상기 기계 판독가능 매체상에 저장될 수 있다. 상기 기계 판독가능 매체상에 저장된 명령어들은 프로세서 또는 다른 적절한 처리 장치에 의해 실행될 수 있고, 기재된 태스크들을 수행하기 위한 회로와 인터페이스할 수 있다.

본원 명세서에 기재되고 도면들에 도시된 특정 실시 예들의 구조, 특징, 액세서리 및 대안은 호환되는 한 본원 명세서에 기재되고 도시된 모든 실시 예들을 포함하여 본 개시내용의 교시들 모두에 일반적으로 적용되도록 의도된다. 다시 말하면, 특정 실시 예의 구조, 특징, 액세서리 및 대안은 달리 지시되지 않는 한 특정 실시 예로만 국한되도록 의도되지 않는다.

또한, 본원 명세서에 기재된 방법들의 단계들 및 상기 방법들의 단계들의 순서는 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 서로 다른 단계들, 서로 다른 개수의 단계들 및/또는 서로 다른 단계들의 순서를 포함하는 방법이 또한 고려된다.

위에서 설명한 실시 예들은 단지 예들일 뿐이다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 특정 실시 예들에 대하여 변형들, 수정들 및 변경들이 이루어질 수 있으며, 이는 본원 명세서에 첨부된 청구범위에 의해서만 정의된다.

Claims

배터리 셀에서 열폭주를 개시하기 위한 장치에 있어서,
상기 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치는,
상기 배터리 셀의 영역으로 열을 전달하기 위해 상기 배터리 셀과 열 접촉하게 위치하는 가열 요소;
상기 가열 요소와 상기 배터리 셀 사이의 열 에너지 전달을 개선하기 위해 상기 가열 요소와 상기 배터리 셀 사이에 위치 가능하고 상기 가열 요소와 상기 배터리 셀 모두에 접촉하는 전도성 열전달 페이스트;
상기 가열 요소에 전기적으로 연결된 에너지 소스; 및
열폭주를 개시하기 위해 상기 가열 요소에서의 전력 펄스를 생성하여 상기 배터리 셀의 영역을 가열하도록 상기 가열 요소에 전류 펄스를 선택적으로 전송하는 회로를 형성하는 스위치;
를 포함하며,
상기 가열 요소의 풋프린트 표면적은 상기 배터리 셀에 대해 급속하고 국소화된 가열을 제공하기 위해 상기 배터리 셀의 총 외부 표면적의 20% 미만인, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항에 있어서,
상기 전류 펄스는 지수함수형 감쇠를 지니는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항에 있어서,
상기 전력 펄스에 의해 생성된 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도는 적어도 800,000평방미터당 와트(W/m²)이고 와트 단위의 전력은 상기 가열 요소에서의 가열 전력이며 평방미터 단위의 면적은 상기 가열 요소의 풋프린트 표면적인, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제3항에 있어서,
상기 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도는 적어도 2,000,000W/m²인, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 가열 요소의 풋프린트 표면적은 상기 배터리 셀의 총 외부 표면적의 5% 미만인, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 소스는 적어도 하나의 커패시터를 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제7항에 있어서,
상기 스위치가 상기 회로를 형성한 다음 60초 미만 내에 상기 에너지 소스에 저장된 에너지의 적어도 95%의 에너지가 사용되는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제7항에 있어서,
상기 스위치가 상기 회로를 형성한 다음 30초 미만 내에 상기 에너지 소스에 저장된 에너지의 적어도 95%의 에너지가 사용되는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 소스는 연속적인 DC 전력 공급원을 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배터리 셀의 킬로와트(kW) 단위의 표준 1C C-속도 정전류 방전 사이클 전력에 대한 상기 에너지 소스의 방전 동안 상기 가열 요소에서의 kW 단위의 피크 가열 전력의 비는 적어도 50 대 1이고, C-속도는 배터리가 상기 배터리의 최대 용량에 대해 방전되는 속도의 측정치인, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배터리 셀의 킬로주울(kJ) 단위의 에너지 저장 용량에 대한 상기 에너지 소스의 방전 동안 상기 가열 요소에 의해 소모되는 kJ 단위의 열 에너지의 비는 10% 미만인, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 소스의 방전은 상기 배터리 셀의 표면이 적어도 150℃로 가열되게 하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치는,
상기 가열 요소를 전기적으로 분리시키도록 상기 가열 요소 외부에 전기 절연 장벽 코팅을 더 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제14항에 있어서,
상기 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치는,
상기 전기 절연 장벽 코팅 외부에 열 전도 금속계 코팅을 더 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
삭제
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 요소는 평면상의 형상을 지니는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 요소는 상기 가열 요소의 형상이 상기 배터리 셀의 외부 표면에 상응하게 변형될 수 있게 유연한, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 요소는 5mm 미만의 두께를 지니는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 요소는 2mm 미만의 두께를 지니는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 요소는 니크롬(nichrome)을 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 요소는 철-크롬-알루미늄(FeCrAl) 합금을 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치는 상기 가열 요소를 통해 단일 전류 펄스를 전송하도록 구성되는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
배터리 셀에서 열폭주를 개시하기 위한 방법에 있어서,
상기 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법은,
상기 배터리 셀의 영역으로 열을 전달하기 위해 상기 배터리 셀과 열 접촉하게 가열 요소를 제공하는 단계;
상기 가열 요소와 상기 배터리 셀 사이의 열 에너지 전달을 개선하기 위해 상기 가열 요소와 상기 배터리 셀 사이에 위치하고 상기 가열 요소와 상기 배터리 셀 모두에 접촉하는 전도성 열전달 페이스트를 제공하는 단계;
상기 가열 요소에 전기적으로 연결된 에너지 소스를 제공하는 단계; 및
열폭주를 개시하기 위해 상기 가열 요소에서의 전력 펄스를 생성하여 상기 배터리 셀의 영역을 가열하도록 상기 가열 요소를 통해 전류 펄스를 전송하는 단계;
를 포함하며,
상기 가열 요소의 풋프린트 표면적은 상기 배터리 셀에 대해 급속하고 국소화된 가열을 제공하기 위해 상기 배터리 셀의 총 외부 표면적의 20% 미만인, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제24항에 있어서,
상기 전류 펄스는 지수함수형 감쇠를 지니는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 전력 펄스는 적어도 800,000평방미터당 와트(W/m²)의 상기 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도를 생성하고 와트 단위의 전력은 상기 가열 요소에서의 가열 전력이고 평방미터 단위의 면적은 상기 가열 요소의 풋프린트 표면적인, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제26항에 있어서,
상기 가열 요소에서의 피크 열 유속 밀도는 적어도 2,000,000W/m²인, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
삭제
제24항에 있어서,
상기 풋프린트 표면적은 상기 배터리 셀의 총 외부 표면적의 5% 미만인, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 제공된 에너지 소스는 적어도 하나의 커패시터를 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제30항에 있어서,
상기 에너지 소스에 저장된 에너지의 적어도 95%는 상기 전류 펄스의 전송을 개시한 다음 60초 미만 내에 적용되는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제30항에 있어서,
상기 에너지 소스에 저장된 에너지의 적어도 95%는 상기 전류 펄스의 전송을 개시한 다음 30초 미만 내에 적용되는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 배터리 셀의 킬로와트(kW) 단위의 표준 1C C-속도 정전류 방전 사이클 전력에 대한 상기 에너지 소스의 방전 동안 상기 가열 요소에서의 kW 단위의 피크 가열 전력의 비는 적어도 50 대 1이고, C-속도는 배터리가 상기 배터리의 최대 용량에 대해 방전되는 속도의 측정치인, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 배터리 셀의 킬로주울(kJ) 단위의 에너지 저장 용량에 대한 상기 에너지 소스의 방전 동안 상기 가열 요소에 의해 소모되는 kJ 단위의 열 에너지의 비는 10% 미만인, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 에너지 소스의 방전은 상기 배터리 셀의 표면이 적어도 150℃로 가열되게 하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법은,
상기 가열 요소 외부에 전기 절연 장벽 코팅을 제공하는 단계;
를 더 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제36항에 있어서,
상기 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법은,
상기 전기 절연 장벽 코팅 외부에 열 전도성 금속계 코팅을 제공하는 단계;
를 더 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
삭제
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 제공된 가열 요소는 평면상의 형상을 지니는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 제공된 가열 요소는 상기 제공된 가열 요소의 형상이 상기 배터리 셀의 외부 표면에 상응하게 변형될 수 있게 유연한, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 제공된 가열 요소는 5mm 미만의 두께를 지니는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제41항에 있어서,
상기 제공된 가열 요소는 2mm 미만의 두께를 지니는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 제공된 가열 요소는 니크롬(nichrome)을 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 제공된 가열 요소는 철-크롬-알루미늄(FeCrAl) 합금을 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 전류 펄스를 전송하는 것은 상기 가열 요소를 통해 단일 전류 펄스를 전송하는 것을 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치는,
상기 가열 요소의 온도를 감지하는 온도 센서; 및
상기 온도 센서와 통신 가능하게 연결된 온도 제어기;
를 더 포함하며,
상기 온도 제어기는 상기 스위치와 협동하여 상기 가열 요소가 사전에 결정된 온도에 이르기까지 가열되게 하고 상기 가열 요소의 온도 감지에 응답하여 상기 사전에 결정된 온도로 유지되게 하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제46항에 있어서,
상기 가열 요소는 3초 미만 내 주위 온도로부터 사전에 결정된 온도로 가열되는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제46항에 있어서,
상기 온도 제어기는 펄스 폭 변조(pulse-width-modulation; PWM)를 사용하여 상기 가열 요소에서 발생된 전력을 제어하도록 구성되는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제46항에 있어서,
상기 에너지 소스는 직류(direct current; DC) 전력 공급원을 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제46항에 있어서,
상기 온도 센서는 열전쌍(thermocouple)을 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제46항에 있어서,
상기 온도 제어기는 상기 가열 요소의 온도가 상기 에너지 소스로부터 방출된 에너지에 응답하여 상기 사전에 결정된 온도를 5% 이상 초과하지 않게 하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법은,
상기 가열 요소의 온도를 감지하는 단계; 및
상기 가열 요소가 사전에 결정된 온도에 이르기까지 가열되고 상기 가열 요소의 온도 감지에 응답하여 상기 사전에 결정된 온도로 유지되도록 전류 펄스의 전송을 제어하여 상기 가열 요소의 온도를 제어하는 단계;
를 더 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제52항에 있어서,
상기 가열 요소의 가열은 3초 미만 내 주위 온도로부터 사전에 결정된 온도로 상기 가열 요소를 가열하는 것을 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제52항에 있어서,
상기 제어하는 것은 펄스 폭 변조(pulse-width-modulation; PWM)를 사용하여 상기 가열 요소의 온도를 제어하는 것을 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제52항에 있어서,
상기 에너지 소스는 직류(direct current; DC) 전력 공급원을 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제52항에 있어서,
상기 온도의 감지는 열전쌍(thermocouple)을 사용하여 수행되는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제52항에 있어서,
상기 제어하는 것은 상기 가열 요소의 온도가 상기 에너지 소스로부터 방출된 에너지에 응답하여 상기 사전에 결정된 온도를 5% 이상 초과하지 않게 하는 것을 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 요소는 저항 가열 요소인, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 가열 요소는 저항 가열 요소인, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제1항에 있어서,
상기 전도성 열전달 페이스트는 니켈을 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 요소는 물리적으로 집중된 풋프린트를 지니도록 형상화되는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 장치.
제24항에 있어서,
상기 전도성 열전달 페이스트는 니켈을 포함하는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 가열 요소는 물리적으로 집중된 풋프린트를 지니도록 형상화되는, 배터리 셀에서의 열폭주 개시 방법.
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