KR102658613B1 - 상호연결 장치 - Google Patents

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겔리온 테크놀로지스 피티와이 리미티드
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Abstract

다수의 셀들을 포함하는 배터리 용 상호연결 장치(interconnection)로서, 상기 상호연결 장치는, 제1면 및 제2면을 갖는 전기절연 기판과, 상기 기판의 상기 제1면 상의 히트 싱크(heat sink)와, 그리고 상기 기판의 상기 제2면 상에 전기 전도성 물질의 층을 포함하되, 상기 전기 전도성 물질의 층은 상기 다수의 셀들과의 연결을 위한 하나 또는 다수의 셀-수용(cell-receiving) 영역들을 제공한다.

Description

상호연결 장치{INTERCONNECTION}
본 발명은 다수의 전지 셀들(cells)을 포함하는 배터리용 상호연결 장치(interconnection)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 상호연결 장치를 포함하는 배터리, 및 배터리의 온도를 제어하는 방법에 관한 것이다.
전형적인 전기화학 전지 셀들(electrochemical cells)은 애노드(anode), 캐소드(cathode) 및 상기한 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질(electrrolyte)을 포함하고 있다. 상기한 애노드, 캐소드 및 전해질은 하나의 하우징, 예를 들어, 파우치(pouch) 내에 함유될 수도 있다. 전기적 연결 장치(electrical connections), 예를 들어, 연결 탭이 하우징에 접속되어 해당 셀의 애노드 및 캐소드와의 전기적 접속을 제공할 수도 있다.
전형적인 배터리는 다수의 전기화학적 셀들을 포함한다. 상기 셀들은, 예를 들어, 전기 연결부들을 전기적 커넥터에 접속함으로써 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
배터리가 충전 또는 방전됨에 따라, 전기화학 셀의 온도가 상승할 수도 있다. 어떤 경우에는, 배터리가 최적의 온도에서 작동하는지를 확인하는 것이 바람직할 수도 있다. 배터리의 온도는, 예를 들어, 공기가 셀의 주위 및/또는 셀 하우징에 접속된 전기 연결부들을 순환하도록 함으로써 감소될 수도 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예들을 예시적으로 개략적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 상호연결 장치의 등각 투영도이다.
도 2a는 도 1의 상호연결 장치의 평면도이다.
도 2b는 도 1의 상호연결 장치의 측면도이다.
도 2c는 도 1의 상호연결 장치의 종단면도이다.
도 3a는 도 1의 상호연결 장치의 평면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시 된 바와 같은 절개선 H-H를 통해 취해진 상호연결 장치의 단면도이다.
도 3c는 도 3a의 상호연결 장치의 단면 J의 평면도이다.
본 발명의 특정 예들을 설명하기에 앞서, 본 발명은 본 명세서에 개시된 특정한 상호연결, 배터리 또는 방법에만 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용 된 용어들은 단지 특정한 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로서 그 범위를 한정하는 것이 아니라는 점을 이해하여야 할 것이다.
본 발명의 상호연결 장치, 배터리 및 방법을 기술하고 청구범위에 기재함에있어, 다음의 용어가 사용될 것인바, 여기서 단수적 표현 형태(즉, 영문에서의 "a", "an" 및 "the"와 같은)는, 문맥 상 명확하게 달리 지시하지 않는 한, 그의 복수형도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 따라서, 예를 들어, "양극(anode)"에 대한 언급은 하나 또는 다수의 그러한 요소들에 대한 언급을 포함할 것이다.
본 개시에 따르면, 다수의 전지 셀들을 포함하는 배터리용 상호연결 장치(interconnection)가 제공되는바, 상기 상호연결 장치는 제1면 및 제2면을 갖는 전기절연 기판과, 상기 기판의 상기 제1면 상의 히트 싱크(heat sink)와, 그리고 상기 기판의 상기 제2면 상의 전기 전도성 물질의 층을 포함하되, 상기 전기 전도성 물질의 층은 상기 다수의 셀들에 접속하기 위한 하나 또는 다수의 셀-수용(cell-receiving) 영역들을 제공한다.
본 개시는 또한 본 명세서에서 설명되는 것과 같은 상호연결 장치, 및 상기 상호연결 장치의 하나 또는 다수의 셀-수용(cell-receiving) 영역들에 전기적으로 접속되는 다수의 전지 셀들을 포함하는 배터리에 관한 것이다.
본 개시는 또한 본 명세서에 기술된 바와 같은 배터리의 온도를 제어하는 방법에 관한 것이다. 상기한 방법은 상기 셀에서 발생 된 임의의 열을 기판의 제2면 상의 셀-수용 영역들로 전달하고, 또한 기판을 통해 히트 싱크로 전달함으로써 배터리로부터 열을 발산시키는 동작을 포함한다.
전술한 바와 같이, 본 개시의 상호연결 장치는 제1면 및 제2면을 갖는 전기절연 기판을 포함한다. 제1면에는, 예를 들어, 기판의 제1면 상에 배치된 금속판 형태의 히트 싱크가 제공된다. 전기 전도성 물질의 층은 기판의 제2면 상에 배치되어 다수의 셀들과의 접속을 위한 하나 또는 다수의 셀-수용 영역들을 제공한다. 상기 셀들이 전기적 인터페이스에 연결될 때, 그 셀에서 발생된 열 에너지는 상기 셀들로부터 전기절연 기판의 제2면 상의 셀-수용 영역들로 전도될 수 있다. 전기절연 기판의 제2면 상에 히트 싱크를 제공함으로써, 열이 상기 셀-수용 영역으로부터 히트 싱크로 효과적인 방식으로 전달될 수가 있어, 그 열이 상호연결 장치로부터 발산되도록 한다. 바람직하게는, 상기 전기절연 기판은 열 전도성이어서, 열이 효과적인 방식으로 기판의 일면으로부터 타면으로 전도될 수 있도록 한다. 전기절연 기판의 두께는 또한 기판의 일면과 타면 사이에서 양호한 열 전달율을 제공하도록 선택될 수 있다.
전기 절연 기판(Electrically Insulating Substrate)
전기절연 기판은 0.1 W.m-1.K-1 이상의 열전도도(thermal conductivity)를 가질 수 있다. 상기 열전도도는 적어도 0.2 W.m-1.K-1, 바람직하게는, 적어도 0.5 W.m-1.K-1 일 수 있다. 열전도도는 최대로 6.5 W.m-1.K-1, 바람직하게는, 최대로 10 W.m-1.K-1 일 수 있다. 어떤 예에서는, 열전도도는 0.6 내지 4.8 W.m-1.K-1, 바람직하게는, 1 내지 3 W.m-1.K-1, 더욱 바람직하게는, 1.5 내지 4 W.m-1.K-1 일 수 있다. 바람직한 일례로서, 상기 열전도도는 2 W.m-1.K-1 이다.
상기 전기절연 기판은 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 그 예로는 유리 강화 에폭시(glass reinforced epoxy) 물질, 예를 들면, FR-4가 포함된다.
전기절연 기판은 3mm 미만, 바람직하게는 2mm 미만, 보다 바람직하게는 1mm 미만의 두께를 가질 수 있다. 일례로서, 전기절연 기판은 10미크론 내지 2㎜, 바람직하게는 30미크론 내지 1㎜, 보다 바람직하게는 50미크론 내지 0.5 또는 1㎜의 두께를 가질 수 있다. 바람직한 예에서, 기판은 70 내지 300미크론, 예컨대, 100 내지 200미크론의 두께를 갖는다.
상기 전기절연 기판은 본질적으로 평면일 수 있다.
히트 싱크(heat sink)는 전기절연 기판의 제1면 상에 배치된다. 상기 히트 싱크는 수동형 열교환기의 역할을 할 수 있어 열이 배터리에서 발산되도록 한다. 예를 들어, 하나 또는 다수의 전지 셀들이 기판의 제2면 상의 셀-수용 영역에 결합 되는 경우, 해당 셀들에서 생성된 열은 셀-수용 영역으로, 그리고 기판의 몸체를 통해 히트 싱크로 전달될 수 있다. 바람직하게는, 히트 싱크는 열전도도가 높은 재료로 만들어지는 것으로서, 열이 전도에 의해 주위로, 예를 들면, 주변 공기로 발산될 수 있도록 한다. 상기 히트 싱크는 전기절연 기판의 제1면과 직접 접촉할 수도 있다.
상기 히트 싱크는 20 W.m-1.K-1 이상, 바람직하게는 50 W.m-1.K-1 이상의 열전도도를 갖는 재료로 형성될 수 있다. 열전도도는 500 W.m-1.K-1 이하, 바람직하게는 300 W.m-1.K-1 이하일 수 있다. 어떤 예들에서는, 열전도도는 20 내지 500 W.m-1.K-1, 바람직하게는 50 내지 400 W.m-1.K-1, 더욱 바람직하게는 80 내지 300 W.m-1.K-1 일 수 있다. 바람직한 예로서, 열전도도는 100 내지 250 W.m-1.K-1 이다.
히트 싱크는 전기절연 기판의 제1면과 직접 접촉할 수 있다. 예를 들어, 히트 싱크는 전기절연 기판에 인접하게 배치되고 그에 접촉하는 금속 층의 형태를 취할 수도 있다. 상기 금속 층은 임의의 적합한 금속으로 형성될 수 있다. 예로서는 강철, 스테인리스 강, 니켈, 구리 및 알루미늄이 포함된다. 바람직하게는, 상기 금속은 알루미늄이다. 상기 금속 층은 임의의 적당한 두께일 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 층은 0.1 내지 10mm 두께, 바람직하게는 0.5 내지 5mm 두께, 예를 들면, 1 내지 3mm 두께일 수 있다. 바람직한 예로서, 상기 금속 층은 1 내지 2mm 두께, 예를 들면, 1.5mm 두께이다. 상기 금속 층은 각각의 전기절연 기판 및 전기 도전성 재료 층보다 더 두꺼울 수도 있다. 상기 금속 층은 전기절연 기판보다 적어도 5배는 더 두꺼우며, 예컨대, 적어도 10배 정도 더 두꺼울 수도 있다.
히트 싱크는 그 히트 싱크를 가로 질러 공기 또는 다른 유체(예컨대, 기체성) 냉각제의 유동을 돕는 표면 특징들을 포함할 수 있다. 이러한 표면 특징은 핀(fin)들을 포함할 수도 있다.
전기 전도성 물질의 층이 기판의 제2면 상에 적층된다. 일 실시 예에서, 기판의 제2면은 기판의 제1면에 대향한다. 상기한 전기 전도성 물질의 층은 다수의 셀에 연결하기 위한 하나 또는 다수의 셀-수용 영역들을 제공한다. 예를 들어, 셀- 수용 영역은 전지 셀이 그에 결합될 수 있는 전기적 인터페이스를 제공할 수도 있다. 일 실시 예에서, 다수의 셀-수용 영역이 제공되어, 상기 셀-수용 영역들은 서로 이격된 상태로 상기 기판 상에 배치된다. 따라서, 셀들이 셀-수용 영역들에 연결될 때, 해당 셀들은 서로 인접하게, 예를 들면, 하나의 스택으로서 배치될 수도 있다. 셀들은 스택에서 서로 접촉하거나 접촉하지 않을 수도 있다. 어떤 예들에서는, 셀들 사이에 공기가 흐르게 하는 셀들 간의 간격들 및/또는 상기 셀들을 셀-수용 영역들에 연결시키는데 사용되는 접촉 또는 연결 탭들이 존재할 수도 있다.
상기 셀-수용 영역은 기판의 제2면 상의 도전성 스트립의 형태를 취할 수 있다. 상기 스트립은 다수의 셀들에 대한 연결을 제공할 수 있다. 대안적으로, 상기 셀-수용 영역 또는 인터페이스는 전기 전도성 물질의 도전성 트랙에 의해 서로 연결되는 개별적인 셀-수용 영역 또는 패드일 수도 있다. 이들 셀-수용 영역 또는 패드 각각은 하나의 셀의 적어도 하나의 연결 탭에 접속할 수 있도록 하는 크기일 수 있다. 하나의 셀은 하나 또는 다수의 셀-수용 패드들을 통해 상호연결 장치에 연결될 수 있다. 일례로서, 셀의 애노드(들)는 하나의 셀-수용 패드에 연결된 접촉 탭을 통해 상호연결 장치에 연결되는 반면, 셀의 캐소드(들)는 다른 셀-수용 패드에 접속된 접촉 탭을 통해 인터페이스에 연결된다. 해당 셀의 애노드(들)가 부착되는 셀-수용 패드("애노드 패드")와 해당 셀의 캐소드(들)가 부착되는 접촉 탭("캐소드 패드") 사이의 간격은, 그 셀의 애노드(들)의 접촉 탭과 캐소드(들)의 접촉 탭 사이의 간격에 따라 선택될 수 있다. 일 예시에서, 상기 애노드(들)의 접촉 탭과 캐소드(들)의 접촉 탭 사이의 간격은 5 내지 30mm, 예를 들면, 약 10mm 일 수 있다. 따라서, 애노드 패드와 캐소드 패드 사이의 간격은 5 내지 30mm, 예를 들어, 대략 10mm 일 수 있다.
전기 전도성 물질의 층은 금속으로 형성될 수 있다. 적합한 금속은 구리이다. 일 예에 있어서, 상기한 전기 전도성 물질(예를 들어, 구리)의 연속 층은 기판의 제2면 위에 적층된다. 그 후, 예를 들어, 산 처리에 의해 상기 층의 부분들이 에칭되어 원하는 셀-수용 영역(들)과 그 영역(들)을 연결하는 임의의 전도성 트랙들이 남게 된다.
상기한 전기 전도성 물질의 층은 1 mm 미만의 두께를 가질 수 있다. 일례로서, 상기 층은 1미크론 내지 1mm, 바람직하게는 5미크론 내지 0.5mm, 더 바람직하게는 10 내지 200 미크론의 두께를 가질 수 있다. 바람직한 예에서, 기판은 15 내지 100 미크론, 예를 들어, 20 내지 50 미크론(예를 들어, 30 내지 40 미크론)의 두께를 갖는다. 일 예시에서, 상기 전기 전도성 물질의 층은 전기절연 기판의 두께보다 더 작은 두께를 갖는다. 예를 들어, 전기 전도성 물질의 층은 전기절연 기판의 두께의 50% 이하의 두께를 갖는다.
일 예로서, 상호연결 장치는 금속 피복된 인쇄회로 기판(PCB)일 수 있다. 예를 들어, 상기 인쇄회로 기판은 일면 상에 도전성 물질 층(예컨대, 구리)이 제공된(예를 들어, 인쇄된) 전기절연 기판을 포함할 수 있다. 히트 싱크를 제공하기 위해 금속 층(예컨대, 알루미늄)이 기판의 반대편 면 상에(예를 들어, "클래딩(cladding)"으로서) 배치될 수 있다.
어떤 실시 예에서는, 상기 전기 전도성 물질의 층은 전기 전도성 물질의 도전성 트랙에 의해 서로 연결된 개별적인 셀-수용 영역들 또는 패드들로서 전기절연 기판의 제2면 상에 제공(예컨대, 인쇄)된다.
전기절연 기판, 전기 전도성 물질 층 및 히트 싱크의 두께는 전체 구조의 강성과 중량 간의 균형을 최적화하도록 또한 선택될 수 있다. 바람직하게는, 본 개시에서의 상호연결 장치는 가볍고도 단단하다. 이는 광범위한 응용 분야에 이용될 수 있는 경량 배터리, 예를 들어, 차량용(예컨대, 자동차 및 항공기 등) 배터리의 구성을 용이하게 한다.
충전 상태 및 온도 제어
어떤 경우에는, 다수의 셀들 중의 하나 또는 다수에 대해 충전 상태를 제어하는 것이 바람직할 수도 있다. 이것은 하나 또는 다수의 셀들이 방전되는 것이 필요할 수도 있다. 어떤 예에서는, 배터리 내의 전지 셀들의 충전 상태에서의 차이를 최소화하는 것이 바람직할 수도 있다.
충전 상태를 제어하기 위해, 상호연결 장치는 다수의 셀 중 하나 또는 다수의 셀들의 충전 상태를 제어하기 위한 전기 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전기 회로는 전기절연 기판의 제2면 상에 장착된 하나 또는 다수의 저항들을 포함할 수도 있다. 상기 저항들은 전기절연 기판의 제2면 상에 배치되거나 인쇄되는 도전성 트랙들로 이루어지는 전기 회로에 의해 셀-수용 영역에 연결될 수 있다. 전지 셀들이 상기한 셀-수용 영역에 연결될 때, 이들 저항을 통해 셀들로부터 전류가 인출됨으로써 그 셀들의 충전 상태를 감소시킬 수도 있다.
상기 전기 회로는 하나 또는 다수의 저항들을 통한 전류의 흐름을 제어하도록 개방 또는 폐쇄될 수 있는 하나 또는 다수의 스위치들을 더 포함할 수도 있다. 상기한 하나 또는 다수의 스위치들은 스위치의 상태를 제어하기 위한 컨트롤러에 연결될 수 있으며, 이로써 셀들로부터 또한 상기 저항들을 통한 전류의 흐름을 제어한다. 상기 회로는 셀에 걸치는 전압을 측정하도록 배치된 하나 또는 다수의 전압 게이지들을 더 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러는 전압 게이지에 의해 이루어지는 측정에 따라서 셀들로부터의 전류의 흐름을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 최저 전압의 셀보다 큰 전압을 갖는 셀은 그 셀의 충전 상태를 감소시키기 위해 저항에 연결될 수 있다. 충전 상태는 가장 낮은 전압의 셀과 일치하도록 감소될 수 있으며, 이렇게 함으로써 셀들의 충전 상태가 균형을 이루게 된다.
일례로서, 저항 또는 저항들의 집합이 셀마다 제공되어, 각 셀이 필요에 따라 방전되도록 할 수 있다. 이러한 방전 중에 저항(들)에 의해 발생 된 임의의 열 에너지는 히트 싱크로 전달되어 편리한 방식으로 발산될 수 있다.
어떤 경우에는, 하나 또는 다수의 셀들의 온도를 제어하는 것이 바람직할 수도 있다. 이것은 하나 또는 다수의 셀들을 가열 또는 냉각시킬 것이 필요할 수도 있다. 어떤 예에서는, 배터리 내의 셀의 온도의 차이를 최소화하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 배터리 내의 셀에 걸친 온도 변화(temperature gradients)를 최소화하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 하나 또는 다수의 셀들이 선택적으로 가열되어 그 배터리의 온도 변화를 최소화할 수 있다.
셀들의 온도를 제어하기 위해, 상호연결 장치에는 상기한 다수의 셀들 중의 하나 또는 다수의 온도를 제어하기 위한 전기 회로가 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 상호연결 장치는 배터리 내의 하나 또는 다수의 셀의 온도를 상승시키도록 동작 가능한 히터들을 포함할 수도 있다. 일 실시 예에서, 상호연결 장치는 전기절연 기판의 제2면 상에 장착된 하나 또는 다수의 저항들을 포함한다. 전류는 저항을 통과함으로써 열을 생성할 수도 있다. 바람직하게는, 저항으로부터의 열 에너지가, 예를 들어, 셀들을 기판의 셀-수용 영역들에 연결시키는데 사용되는 임의의 커넥터들(예컨대, 연결 탭)을 통해 셀-수용 영역과 셀들로 전도될 수 있도록, 셀-수용 영역에 인접하거나 근접한 위치에 저항들이 배치된다. 일 실시 예에서, 다수의 저항들이 제공되는데, 여기서 각각의 저항은 셀-수용 영역에 인접하거나 근접한 위치에 위치하며, 각 셀에는 각각의 저항 또는 저항들의 그룹이 제공된다.
셀의 애노드가 셀-수용 영역에 결합되고 그 셀의 캐소드가 또 다른(예를 들어, 인접한) 셀-수용 영역에 결합되는 경우, 하나 또는 다수의 저항이 셀-수용 영역들 사이에 위치될 수 있다. 이들 저항은 셀의 온도를 제어하고 및/또는 그 충전 상태를 변경하는데 사용될 수 있다.
상기 전기 회로는 하나 또는 다수의 스위치들을 더 포함할 수 있는데, 이 스위치는 상기한 하나 또는 다수의 저항을 통한 전류의 흐름을 제어하도록 개방 또는 폐쇄될 수 있다. 상기한 하나 또는 다수의 스위치들은 그 스위치의 상태를 제어하기 위한 컨트롤러에 연결될 수 있으며, 이로써 저항들을 통한 전류의 흐름을 제어하도록 한다.
임의의 전기 에너지원이 전류를 공급하는데 사용될 수 있다. 그러나, 아래에 설명된 바와 같이, 셀들 자체가 전류원을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 저항은 전기절연 기판의 제2면 상에 배치되거나 인쇄되는 도전성 트랙들로 형성된 전기 회로에 의해 셀-수용 영역들에 연결될 수 있다. 셀들이 셀-수용 영역에 연결될 때, 이들 저항을 통해 해당 셀들로부터 전류가 인출될 수 있다. 이러한 전류의 흐름은 저항의 온도를 증가시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 특히 저항이 셀-수용 영역에 인접한 위치에 위치하는 경우, 그 생성된 열 에너지는 셀에 전도되어 해당 셀들의 온도를 증가시킬 수 있다.
일례로서, 셀의 충전 상태를 제어하는데 사용되는 전기 회로는 그 셀의 온도를 제어하는데 사용되는 전기 회로와 동일하다. 예를 들어, 셀의 충전 상태를 제어하는데 사용되는 저항(들)은 그 셀의 온도를 제어하는데 사용되는 저항(들)과 동일하다.
셀의 충전 상태를 제어하는데 사용되는 전기 회로 및/또는 셀의 온도를 제어하는데 사용되는 전기 회로는 배터리에 결합될 수 있는 배터리 관리 시스템에 의해 제어될 수도 있다.
상기한 상호연결 장치는 전기절연 기판의 제2면 상에 장착된 하나 또는 다수의 온도 게이지(temperature gauge)를 포함할 수 있다. 상기 온도 게이지는 전기절연 기판을 따라 배치되어 하나 또는 다수의 셀들의 온도를 나타내는 온도 판독 값을 제공할 수 있다. 온도 게이지는 전기절연 기판을 따라 배치되어 기판을 따라 상이한 셀-수용 영역들에 연결된 셀들 사이의 온도 차이의 표시를 제공할 수 있다. 일 예로서, 다수의 온도 게이지들 제공됨으로써 그 각각의 게이지가 셀-수용 영역에 가깝거나 인접한 위치에 배치되고, 각각의 셀에는 각각의 게이지 또는 게이지 그룹이 제공된다. 만일 온도 차이가 감지될 경우, 선택된 셀(들)을 가열하기 위한 전기 회로가 활성화되고 발생하는 온도 차이를 줄이도록 할 수 있다.
임의의 적합한 온도 게이지가 사용될 수 있다. 예를 들어, 온도 게이지, 바이메탈 스트립(bi-metallic strip) 또는 온도 변환기(transducer)가 사용될 수 있다. 커넥터 또는 전기 회로에 대해 전기 전도성 층에서 전도성 트랙이 사용되어 온도가 제어 회로에 의해 측정되도록 할 수 있다.
셀들 이외의 구성 요소들의 연결을 위한 하나 또는 다수의 전기 커넥터들이 기판 상에 장착될 수도 있다. 예를 들어, 전압 측정(예컨대, 셀 전압), 온도 측정, 전력 공급(예컨대, 하나 또는 다수의 열 공급원에 대한 전력 공급) 및/또는 기판 상에 설치된 스위치와 같은 하나 또는 다수의 부품들의 제어에 적합한 구성 요소들이 기판 상에 장착된 하나 또는 다수의 구성요소들에 연결될 수 있다. 적합한 커넥터는, 예를 들어, PCB에 전기적으로 연결하기 위해 일반적으로 사용되는 것과 같은 전기 기판 커넥터의 형태를 취할 수 있다. 기판 상에 장착된 커넥터는 그 기판 상의 회로(예컨대, 기판 상의 도전성 트랙의 형태인)와의 전기적 연결이 형성되는 것을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 기판 상에서의 모니터링 및/또는 제어 회로의 목적을 위해 전기적 접속이 형성될 수 있다.
배터리(Battery)
배터리는 임의의 적합한 배터리일 수 있다. 상기 배터리는 다수의 전기화학 전지 셀들을 포함할 수 있다. 각각의 전기화학 셀은 애노드와 캐소드를 포함하는 셀 스택(cell stack) 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질(electrolyte)을 포함할 수 있다. 상기 셀 스택은, 예를 들어, 원통형 하우징 또는 주머니(파우치) 내에 포함될 수도 있다.
전기 연결 장치, 예를 들어, 연결 탭들은 해당 셀의 애노드 및 캐소드와의 전기적 연결을 제공하기 위해 하우징에 결합될 수 있다. 상기 연결 탭들은 용접, 납땜 또는 기타 방법으로 전극 또는 하우징 내부의 전극의 전류 컬렉터에 연결될 수 있다.
상기 전기 연결 장치는 하우징의 일측 또는 정면으로부터 연장될 수 있다. 예를 들어, 파우치형 셀의 경우, 전기 연결 장치 또는 연결 탭들은 파우치의 일측으로부터 연장될 수 있다. 일례를 들면, 상기 하우징(예컨대, 파우치)은 그 하우징(예컨대, 파우치)의 애노드(들)에 연결되는 애노드 연결 탭과, 상기 파우치의 캐소드에 연결되는 캐소드 연결 탭을 포함할 수 있다. 애노드 탭은 하나의 셀-수용 영역에 결합될 수 있는 반면, 캐소드 탭은 다른 하나의(예컨대, 근접한) 셀-수용 영역에 결합될 수 있다.
상기 전기 연결 장치는 임의의 적절한 방법을 사용하여 상호연결 장치의 셀-수용 영역들에 결합 될 수 있다. 예를 들어, 전기 연결부들은 전도성 접착제 또는 납땜을 사용하여 상호연결부의 셀-수용 영역들에 결합 될 수 있다. 대안적으로서, 상기 전기 연결 장치들은 셀-수용 영역에 의해 제공되는 전기 인터페이스에 용접될(예를 들면, 초음파 또는 레이저 용접으로) 수 있다. 일 예로서, 전기 연결 장치는 금속 호일(metal foil)로 형성된 접촉 탭의 형태를 취할 수도 있다. 적절한 금속 포일로는 알루미늄 또는 니켈 호일이 포함된다. 이러한 전기적 연결부들은 상호연결 장치의 셀-수용 영역들에 용접될 수 있다. 셀-수용 영역은, 예를 들어, 구리로 형성될 수 있다. 어떤 예들에서는, 셀-수용 영역은 하나의 패드의 형태를 취할 수도 있다.
본 개시의 일례에서, 상기 전기화학적 셀들은 파우치 전지 셀(pouch cells)이다. 상기 파우치 셀에는 금속 호일로 이루어진 접촉 탭의 형태로 전기적 연결부들이 제공된다.
임의의 적절한 전기화학적 셀이 사용되어도 좋다. 본 개시의 어떤 예에서는, 전기화학적 셀은 리튬 전지이다. 적절한 리튬 전지에는 리튬-이온(lithium-ion), 리튬-에어(lithium-air), 리튬-폴리머(lithium-polymer), 리튬-황(lithium-sulphur) 전지들이 포함된다.
본 개시의 일례에 있어, 상기한 전기화학적 셀들은 리튬-황 전지이다. 리튬-황 전지는 리튬 애노드와, 전기활성 황 물질을 포함하는 캐소드를 포함할 수 있다. 상기 애노드는 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금으로 형성될 수도 있다. 바람직하게는, 상기 캐소드는 리튬 포일과 같은 금속 포일 전극이다. 리튬 포일은 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금으로 형성될 수 있다.
상기 캐소드는 전기활성 황 물질과 전기 전도성 물질을 포함하는 매트릭스(matrix)를 포함할 수 있다. 이러한 매트릭스는 전류 컬렉터(current collector)와 접촉하도록 배치되는 하나의 전기활성층을 형성할 수 있다. 상기 전류 컬렉터는, 예를 들어, 알루미늄 호일(foil)로 형성될 수 있다.
상기 전기활성 황 물질은 원소 황(elemental sulphur), 황-계열 유기 화합물(sulphur-based organic compounds), 황-계열 무기 화합물(sulphur-based inorganic compounds) 및 황-함유 중합체(sulphur-containing polymers)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 원소 황이 사용된다.
상기한 전기 전도성 물질은 임의의 적합한 고체성 전기 전도성 물질일 수 있다. 바람직하게는, 이러한 고체성 전기 전도성 물질은 탄소로 형성될 수 있다. 예를 들면, 카본 블랙(carbon black), 탄소 섬유, 그래핀(graphene) 및 탄소 나노튜브(carbon nanotubes)가 여기에 포함된다. 기타 적절한 물질로는 금속(예컨대, 조각들(flakes), 줄밥(filings), 분말)과 전도성 폴리머들이 포함된다. 바람직하게는, 카본 블랙이 사용된다.
상기 전기활성 황 물질은 전류 컬렉터에 적층 된 매트릭스로서 60 내지 90 중량%, 바람직하게는 65 내지 85 중량%, 더 바람직하게는 70 내지 80 중량%로 존재할 수 있다.
상기 전기 전도성 물질은 10 내지 45 중량%, 바람직하게는 15 내지 35 중량%, 더 바람직하게는 20 내지 25 중량%의 양으로 전류 컬렉터에 적층 된 매트릭스에 존재할 수 있다.
상기 전기 전도성 물질에 대한 전기활성 황 물질의 중량비는 0.01 - 10 : 10 - 50, 바람직하게는 0.1 - 5 : 15 - 45, 더욱 바람직하게는 1 - 5 : 20 - 35 일 수 있다.
임의의 적합한 전해질(electolyte)이 사용될 수 있다. 상기 전해질은 유기 용매(organic solvent) 및 리튬 염(lithium salt)을 포함할 수 있다. 적합한 유기 용매로는 에테르(ethers), 에스테르(esters), 아미드(amide), 아민(amine), 설폭 사이드(sulfoxides), 설파미드(sulfamides), 유기 포스페이트(organophosphates) 및 설폰(sulfones)을 포함한다. 예로서 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran), 2-메틸테트라히드로푸란(2-methyltetrahydrofuran), 메틸프로필프로피오네이트(methylpropylpropionate), 에틸프로필프로피오네이트(ethylpropylpropionate), 메틸아세테이트(methyl acetate), 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane), 1,3-디옥솔란(1,3-dioxolane), 디글라임 (2-메톡시에틸 에테르)(diglyme (2-methoxyethyl ether), 트리글림(triglyme), 테트라글림(tetraglyme), 부티로락톤(butyrolactone), 1,4-디옥산(1,4-dioxane), 1,3-디옥산(1,3-dioxane), 헥사메틸 포스포아미드(hexamethyl phosphoamide), 피리딘(pyridine), 디메틸 술폭시드(dimethyl sulfoxide), 트리부틸 포스페이트(tributyl phosphate), 트리메틸 포스페이트(trimethyl phosphate), N, N, N, N-테트라에틸 설파미드(N, N, N, N-tetraethyl sulfamide), 및 설폰(sulfones) 및 이들의 혼합물들을 포함한다.
적합한 전해질염은 리튬 염을 포함한다. 적합한 리튬염으로는 리튬 헥사플루오로포스페이트(lithium hexafluorophosphate), 리튬 헥사플루오로아제네이트(lithium hexafluoroarsenate), 리튬 나이트레이트(lithium nitrate), 리튬 퍼클로레이트(lithium perchlorate), 리튬 트리플루오로메탄설폰이미드(lithium trifluoromethanesulfonimide), 리튬 비스(옥살레이트) 보레이트(lithium bis(oxalate) borate) 및 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(lithium trifluoromethanesulphonate)를 포함한다. 바람직하게는, 리튬 염은 리튬 트리플루오로메탄설포네이트(리튬 트리플레이트(lithium triflate)로도 알려짐)이다. 염들의 조합이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 리튬 트리플레이트는 리튬 니트레이트와 함께 사용될 수 있다. 상기 리튬 염은 전해질 중에 0.1 내지 5M, 바람직하게는 0.5 내지 3M의 농도로 존재할 수 있다.
애노드와 캐소드 사이에는 분리기(세퍼레이터)가 배치될 수 있다. 분리기가 존재하는 경우, 그 분리기는 이온들이 전지의 전극들 사이에서 이동하게 하는 임의의 적절한 다공성(porosity) 기판을 포함할 수 있다. 분리기는 전극들 사이에서 직접 접촉하지 않도록 그 전극들 사이에 위치해야 한다. 상기 기판의 투과성은 30% 이상, 바람직하게는 50% 이상, 예를 들면, 60%를 넘어야 한다. 적절한 분리기로는 중합체(polymer) 물질로 형성된 망상구조(mesh)가 포함된다. 적합한 중합체로는 폴리프로필렌(polypropylene), 나일론(nylon) 및 폴리에틸렌(polyethylene)을 포함한다. 부직 폴리프로필렌(non-woven polypropylene)이 특히 선호된다. 다중 층 구조의 분리기가 사용될 수도 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 양태들이 기술될 것이다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리용 상호연결 장치(1)를 다수의 다른 시점에 의해 개략적으로 도시한다. 또한, 도면들에는 여기서 전체적으로 일관 되게 사용되는 데카르트 좌표계(Cartesian coordinate system)가 도시되어 있다. 도 3b 및 3c는 상호연결 장치(1)의 단면을 보다 상세하게 예시하고 있다. 도 3a에 도시된 예시는 상호연결 장치(1)의 단면(J)의 경계를 포함한다. 상호연결 장치(1)의 단면(J)은 도 3c에 상세히 도시되어 있다. 또한, 도 3a에는 절개선 H-H가 도시되어 있다. 도 3b는 상기 H-H 절개선을 통해 취해진 상호연결 장치(1)의 단면을 도시한다.
상기 상호연결 장치(1)는 다수의 전기화학 전지들(도시되지 않음)을 포함하는 배터리에서 사용하기에 적합하다. 상호연결 장치(1)는 다수의 전지 셀들 간의 전기적 접속을 제공할 수 있으며, 배터리의 셀들과 단자들 사이에서의 전기적 연결을 제공할 수 있다. 배터리는 단자 및 상호연결 장치를 통해 충전 및/또는 방전될 수 있다. 예를 들어, 부하가 단자들에 연결될 수 있고, 배터리는 부하로 방전될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 전원이 단자들에 접속될 수 있고, 배터리는 전원으로부터 충전될 수 있다.
상기 상호연결 장치(1)는 셀들의 적어도 일부를 서로 직렬로 접속하도록 다수의 셀들 간의 전기적 접속을 제공할 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로서, 상호연결 장치(1)는 셀들의 적어도 일부를 서로 병렬로 접속하도록 다수의 셀들 사이의 전기적 접속을 제공할 수 있다.
상 상호연결 장치(1)는 전기절연 기판(3), 히트 싱크(2) 및 전기 전도성 물질의 층(4)을 포함한다. 기판(3)은 제1면(3a) 및 제2면(3b)을 갖는다. 상기 히트 싱크(2)는 제1면(3a) 상에 배치되고 전기 전도성 물질의 층(4)은 제2면(3b) 상에 위치한다. 도면에 도시된 실시 예에서, 제2면(3b)은 제1면(3a)의 반대편에 놓인다. 도면에 도시된 상호연결 장치는 제1면(3a)이 제2면(3b)과 대체로 평행한 평평한 기판(3)을 포함하지만, 제1면과 제2면이 평행하지 않은 다른 구조가 고려될 수 있다.
상기 전기 전도성 물질의 층(4)은 다수의 셀과 전기적으로 접속하기 위한 다수의 셀-수용 영역(4)을 제공하도록 배치된다. 본 명세서에 걸쳐, 셀-수용 영역(4)은 하나 또는 다수의 셀에 접속하기 위한 인터페이스로서 지칭될 수 있다. 다수의 연결 탭들(connection tabs)(5)이 상기 인터페이스(4)에 전기적으로 접속되는 것으로서 도면에 도시된다. 이러한 설명의 목적상, 상기 탭들(5)은 셀들(도시되지 않음)의 일부를 형성하는 것으로 간주 되고, 상호연결 장치(1)의 일부를 형성하는 것으로는 간주 되지는 않는다. 상기 탭들(5)은, 예를 들면, 셀들의 음 및 양의 단자들을 형성할 수 있다. 탭(5)은 임의의 적절한 수단에 의해 인터페이스(4)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 탭(5)은 초음파 용접 또는 레이저 용접과 같은 용접에 의해 연결될 수 있거나, 아니면 도전성 접착제에 의해 및/또는 탭(5)을 인터페이스(4)에 납땜(soldering)함으로써 연결될 수 있다.
상기 인터페이스(4)와 셀 사이의 전기적 접속은 도면에서 연결 탭(5)에 의하여 도시되어 있지만, 다른 실시 예에서는 다른 형태의 접속이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 하나 또는 다수의 전도성 와이어, 바 또는 막대가 인터페이스(4)에 연결될 수 있다. 상기 연결 탭(5)은, 특히, 전기화학 셀이 파우치에 수납되는 실시 예에서 사용될 수 있다. 그러나 셀들과 연결부들의 임의의 호환 가능한 조합들이 사용될 수 있다.
도면에 도시된 실시 예에서, 상기한 셀-수용 영역(4)(다르게는, 인터페이스로서 지칭됨)은 실질적으로 편평한 도전성 물질의 패드들로 형성된다. 그러나 다른 실시 예에서는, 상기 인터페이스(4)는 셀에 대한 전기적 접속이 형성될 수 있는 임의의 적절한 형상의 도전성 물질의 영역을 포함할 수 있다. 인터페이스(4)는 기판(3) 상에 배치되어 해당 셀을 인터페이스(4)에 연결하는 것을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 인접한 인터페이스들(4) 간의 분리는 하나의 셀 상의 연결 탭들(5) 간의 분리에 대략 해당할 수 있다. 상기 인터페이스의 하나 또는 다수의 치수는 셀에 대한 연결부의 치수와 대략 일치하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시 예에서, y-방향에서의 인터페이스(4)의 범위는 y-방향에서의 상기한 연결 탭(5)에 대한 범위와 대략 일치하도록 함으로써 해당 인터페이스(4)에 대한 탭(5)의 연결을 용이하게 한다.
도면에 명시적으로 도시되지는 않았지만, 상호연결 장치(1)는 인터페이스들(4) 중의 적어도 일부 및/또는 다른 컴포넌트들 사이의 전기적 연결부들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기 전도성 물질 층은 하나 또는 다수의 인터페이스들(4)에 전기적으로 접속된 전도성 트랙들(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 전도성 트랙들은 상기한 하나 또는 다수의 인터페이스들(4) 및/또는 하나 또는 다수의 다른 구성 요소들 간의 전기적 접속을 형성할 수 있다.
상기 전기 전도성 물질의 층은 구리와 같은 금속으로 형성될 수 있다. 제조 중, (임의의 적절한 기술을 사용하여) 기판의 제2면(3b) 상에 전기 전도성 물질의 연속적인 층이 적층될 수 있다. 예를 들어, 전도성 물질의 연속 층은 제2면(3b)의 전체 또는 제2면(3b)의 불연속 영역 상에 적층될 수 있다. 도전성 재료의 하나 또는 다수의 부분들은 후속적으로 상기 인터페이스들(4) 및/또는 다른 전기 부품들 사이에서 연장되는 임의의 원하는 전도성 트랙을 남겨놓도록 에칭하여 제거될 수 있다. 상기 기판(3) 상의 전기 회로 및/또는 인터페이스들(4)의 제조 방법은 인쇄 회로 기판(PCB)을 제조하는데 일반적으로 사용되는 것과 유사하거나 동일할 수 있다. 어떤 실시 예들에서는, 상호연결 장치의 적어도 일부는 PCB(예컨대, 금속 피복된 PCB)의 하나의 예인 것으로 고려될 수도 있다.
도면에 도시되지는 않았지만, 상기 상호연결 장치(1)에는 배터리의 단자가 전기적으로 연결되는 하나 또는 다수의 커넥터가 제공될 수 있다. 상기 커넥터는 기판의 제2면(3b) 상의 도전성 트랙들을 통해 인터페이스(4)에 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 배터리는 상호연결 장치(1) 및 단자들을 통해 충전 및/또는 방전될 수 있다.
배터리의 동작(예를 들어, 배터리의 충전 및/또는 방전) 중에, 전류는 연결 탭(5), 인터페이스(4) 및 임의의 다른 전기 회로(예를 들어, 상호연결 장치에 위치한 도전성 트랙)를 통해 흐른다. 결과적으로, 상기한 상호연결 장치(1), 연결 탭(5) 및/또는 셀들의 하나 또는 다수의 영역은, 예를 들어, 줄 발열(Joule heating)로 인해 가열될 수 있다. 상기 상호연결 장치(1)를 흐르는 전류로 인한 상호연결 장치(1)의 직접적인 줄 발열에 부가하여, 예를 들어, 연결 탭(5)을 통해 셀로부터 상호연결 장치(1)로 열이 전도될 수도 있다. 예를 들어, 열 에너지는, 예컨대, 연결 탭(5) 및 인터페이스(4)를 통한 열의 전도를 통해 상기 상호연결 장치의 가열로 이어질 수 있다.
상기한 상호연결 장치(1), 셀들 및/또는 배터리의 다른 구성요소들에 대해 열 관리를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 바람직하게는, 상호연결 장치(1)에는 열이 전도될 수 있는 기판(2)의 제1면(3a) 상에 히트 싱크(2)가 제공된다. 상기 히트 싱크(2)는, 예를 들어, 금속과 같은 열전도성 물질 층을 포함할 수 있다. 어떤 실시 예에서는, 히트 싱크(2)는 알루미늄으로 형성될 수 있지만, 다른 재료가 사용될 수도 있다. 상기 히트 싱크(2)는 열이 배터리로부터 발산되도록 하는 수동형 열 교환기로서 기능을 한다. 예를 들어, 상기 히트 싱크(2)는 (예컨대, 셀들 및/또는 상호연결 장치(1)에서의) 배터리의 그밖에 곳에서 발생 된 열을 흡수하여 그 열을 주위로 발산시킬 수 있다.
상기 히트 싱크(2)는 열이 거기로 발산되는 공기와 같은 유체 매질과 접촉할 수 있다. 어떤 실시 예에서는, 히트 싱크로부터 벗어나는 열의 발산을 돕기 위해 히트 싱크 상의 어떤 유체의 흐름이 발생할 수도 있다. 예를 들어, 공기 흐름이 히트 싱크 위에서 생성될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 액체 냉각제가 히트 싱크(2)에 근접하게(예를 들어, 하나 또는 다수의 도관 내에) 배치되어 히트 싱크(2)로부터 냉각제로 열을 전달할 수 있도록 할 수도 있다. 상기 히트 싱크(2)는 유체(공기 및/또는 액체 냉각제와 같은)와 접촉하는 표면적을 증가시키기 위해 비교적 큰 표면적이 제공되며, 이로써 열이 교환될 수 있는 표면적을 증가시킬 수 있다. 도면들에 도시되지는 않았지만, 어떤 실시 예들에서는, 히트 싱크(2)에 핀(fins)과 같은 하나 또는 다수의 특징을 구비할 수도 있는데, 이것은 히트 싱크(2)의 표면적을 증가시키고 및/또는 히트 싱크(2) 위에서의 유체의 유동을 돕는 역할을 한다.
상호연결 장치(1)는 기판(3)의 제2면(3b) 상에 위치한 인터페이스(4) 및/또는 다른 부품들로부터 열 싱크(2)로의 열 전달을 돕도록 구성된다. 기판(3)은 열전도성 재료로 형성되며, 이것은 상기 제2면(3b)으로부터 기판(3)의 제1면(3a)으로 열이 전도될 수 있도록 한다. 예를 들어, 기판(3)은 히트 싱크(2)로의 열 전도를 용이하게 하기 위해 적어도 약 0.2 W.m-1.K-1 의 열 전도도를 가질 수 있다. 기판(3)을 위한 적절한 재료의 선택으로서, 예를 들어, FR-4와 같은 유리 강화 에폭시 물질을 포함할 수 있다.
상기 기판(3)은 비교적 얇을 수 있는데, 예를 들어, 약 3mm 미만의 두께를 가질 수 있으며, 많은 실시 예에서는 현저하게 3mm 미만일 수도 있다. 상대적으로 얇은 기판(3)을 제공하는 것은 바람직하게는 기판(3)의 제1면과 제2면 사이에서 열의 전도를 용이하게 하며, 추가적으로는 상호연결 장치(1)가 콤팩트하고 경량의 구조를 가질 수 있게 한다.
도면에 도시된 바와 같이, 히트 싱크(2)는 기판(3)의 제1면(3a)의 거의 전체에 걸쳐 연장될 수 있다. 바람직하게는, 히트 싱크(2)로부터 열이 발산될 수 있는 비교적 넓은 표면적을 제공하고, 제2면(3b) 상의 다른 위치로부터 히트 싱크(2)로의 열 전도를 용이하게 해준다.
어떤 동작 조건에서는, 상기 히트 싱크(2)는 배터리에서 그리고 상호연결 장치(1)를 가로질러 큰 온도 변화(temperature gradients)가 형성되는 것을 방지하는 부가적인 역할을 한다. 예를 들어, 동작 중에 배터리의 다수의 셀 중의 하나 또는 다수가 셀의 다른 것들보다 더 고온이 될 수가 있다. 이것은 셀의 동작 조건의 차이 (예를 들면, 상이한 셀로/에서부터 흐르는 전류의 양의 차이) 또는 셀의 주변 조건의 차이에서 기인할 수도 있다. 예를 들어, 배터리는 서로 인접하여 위치하는 셀들의 그룹을 포함할 수 있다. 이러한 셀 그룹은 그 그룹의 가장자리 부근에 위치하는 셀들 및 그 셀 그룹의 중간에 위치하는 다른 셀들을 포함할 수 있다. 셀 그룹의 가장자리 근처에 위치한 셀들은 그 셀들에서 발생하는 열의 일부를 주위로 발산시킬 수 있으며, 따라서 그 그룹의 다른 셀보다 더 온도가 낮을 수도 있다. 그 셀 그룹의 중간에 위치한 셀들은 다른 셀들로 둘러싸여 있을 수 있으므로, 효율적으로 주변으로 열을 발산하지 못할 수도 있다. 결과적으로, 그 그룹의 중간 부근에 위치한 셀들은 그 그룹의 가장자리 근처에 위치한 셀들보다 더 고온이 형성될 수도 있다. 결과적으로, 더 고온의 셀이 연결된 인터페이스(4)는 더 낮은 온도의 셀이 연결된 인터페이스(4)보다 더 뜨거워질 수 있고, 어떤 온도 변화가 상호연결 장치(1)를 가로 질러 형성될 수도 있다.
동작 중, 배터리 내의 다수의 셀들 각각은 대략 동일한 온도로 유지되며, 다른 셀들 사이에서의 큰 온도의 차이를 피하는 것이 종종 바람직하다. 히트 싱크(2)는 열 전도도가 높은 재료로 형성될 수 있다. 결과적으로, 그 열은 히트 싱크(2)를 통해 상호연결 장치(1)의 한 영역으로부터 다른 영역으로 전도될 수 있고, 그에 의해 상호연결 장치(1)를 가로질러 형성될 수 있는 온도 변화를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 하나 또는 다수의 인터페이스(4)가 다른 인터페이스들(4)보다 더 높은 온도로 가열되는 경우, 히트 싱크(2)와 기판(3)을 통해 상대적으로 고온의 인터페이스(4)로부터 상대적으로 저온의 인터페이스(4)로 열이 효율적으로 전도될 수 있다. 따라서, 히트 싱크(2)는 인터페이스(4)에 걸리는 어떤 온도 변화를 감소시키는 역할을 수행할 수 있고, 또한 한 배터리 내에서 다른 셀들 사이의 온도 차이가 감소하도록 할 수 있다.
어떤 실시 예들에서는, 능동형(액티브) 열 관리가 배터리에 제공될 수 있다. 즉, 상호연결 장치(1)는 다수의 셀들 중의 하나 또는 다수의 온도를 제어하기 위한 전기 회로를 포함할 수 있다. 도시된 실시 예에서, 상기한 다수의 셀들의 온도를 제어하기 위한 전기 회로가 기판(3)의 제2면(3b) 상에 장착된 저항들(6)의 형태로 제공된다. 상기한 각각의 저항(6)은 하나 또는 다수의 인터페이스(6)에 근접한 위치에 배치된다. 따라서, 저항(6)에서 발생 된 열은 (예를 들어, 기판 및/또는 히트 싱크(2)를 통한 저항(6)으로부터 인터페이스(4)로의 열 전도로 인해) 하나 또는 다수의 인접한 인터페이스(4)의 가열로 이어질 수 있다. 가열된 인터페이스(4)에 연결된 셀은 인터페이스(4) 및 그 인터페이스(4)에 연결된 연결 탭(5)을 통한 전도에 의해 열을 흡수할 수 있다. 따라서, 저항(6)은 인터페이스(4)에 연결된 하나 또는 다수의 셀들을 가열하기 위해 그 인터페이스(4)에 국부적인 가열을 제공하도록 사용될 수도 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 상이한 저항(6)들이 상호연결 장치(1)의 상이한 영역들에 대해 가열을 제공하도록 기판(3) 상의 상이한 위치에 저항들(6)이 제공된다. 따라서, 상이한 저항들(6)은 상이한 인터페이스들(4), 그리하여 그 인터페이스(4)에 연결된 상이한 셀들에 가열을 제공할 수 있다. 도시된 실시 예에서, 저항(6)은 도면에 도시된 x-축 상의 상이한 위치들에 선형으로 배치된다. 그러나 저항들(6)을 적절하게 다른 곳에 배치하는 것도 고려될 수 있다.
상기 저항(6)에 인접하게 위치하는 하나 또는 다수의 셀들의 가열은 저항(6)을 통해 흐르는 전류를 제어함으로써 조절될 수 있다. 예를 들어, 셀의 가열이 요구되는 경우, 저항(6)을 통해 전류를 발생하기 위하여 셀에 근접하여 위치한 저항(6)을 가로질러 전위차가 연결될 수 있는데, 이렇게 함으로써 저항(6)이 가열될 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 저항(6)은, 예를 들어, 기판(3)의 제2면(3b) 상의 전도성 트랙의 형태로 전기 회로에 의해, 인터페이스들(4) 사이에 연결될 수 있다. 상기 인터페이스들(4) 사이에 저항(6)을 연결함으로써 인터페이스(4)에 접속된 하나 또는 다수의 셀들로부터 저항(6)을 통해 전류가 인출되도록 할 수 있다. 따라서, 상기한 하나 또는 다수의 연결된 셀들은 저항(6)을 위한 전원으로서 기능을 한다. 상기 연결된 셀은, 저항(6)을 통해 전류를 구동하고 상호연결 장치(1)에 국부적으로 가열을 제공하는데에 사용되는 편리한 전원을 제공하지만, 임의의 전원이 저항(6)을 통해 전류를 구동하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나 또는 다수의 저항들(6)이 분리된 전원(도시되지 않음)에 걸쳐 연결될 수도 있는데, 이것은 상호연결 장치(1)에 국부적인 가열을 제공할 목적으로 제공된다.
상기 저항들(6)은 그 저항(6)을 통한 전류의 흐름을 제어하고 그에 의해 상호연결 장치(1)에 제공되는 가열을 제어하기 위해 개폐될 수 있는 하나 또는 다수의 스위치들(도시되지 않음)과 직렬로 연결될 수 있다. 전류의 흐름은 임의의 적절한 제어 회로에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 상호연결 장치(1)는 하나 또는 다수의 저항들(6)을 통한 전류의 흐름을 제어하도록 구성된 컨트롤러(예를 들어, 마이크로 프로세서의 형태로 된)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(도시되지 않음)는 기판(1) 상에 장착되거나 아니면 기판(3)과는 개별적으로 배치될 수도 있다. 상기 컨트롤러는 기판(8) 상에 제공된 연결부(8)를 통해 기판 상에 배치된 회로(예컨대, 하나 또는 다수의 저항들(6) 및/또는 하나 또는 다수의 스위치의 형태로 된)에 연결될 수 있다. 상기 연결부(8)는 컨트롤러와 같은 하나 또는 다수의 외부 구성요소들의 접속을 위한 임의의 적합한 인터페이스(예를 들어, 소켓)를 포함할 수 있다. 연결부(8)는 기판(3)의 제2면(3b)을 가로 질러 연장되는 하나 또는 다수의 도전성 트랙들(도시되지 않음)을 통해 기판 상의 회로에 연결될 수 있다. 도시된 실시 예에서는 2 개의 연결부(8)가 도시되어 있지만, 임의의 수의 연결부들(8)이 제공될 수도 있다. 상이한 연결부들(8)은 상이한 구성요소들의 접속을 위해 제공되거나 또는 동일한 구성요소들에 대해 복수의 접속을 제공할 수도 있다.
어떤 실시 예들에서는, 상호연결 장치(1)의 가열은 하나 또는 다수의 온도 측정치에 따라 제어된다. 도시된 실시 예에서, 상호연결 장치에는 기판(3)의 제2면(3b) 상에 장착된 다수의 온도 게이지들(7)이 제공된다. 온도 게이지(7)는 인터페이스(4)에 근접하여 위치하여 온도 판독치를 제공하는데, 이것은 인터페이스(4)의 온도, 따라서 셀의 온도를 지시한다(이것은 셀이 열 전도성 연결 탭들(5)을 통해 인터페이스들(4)에 열적으로 결합 되기 때문임). 특히, 온도 게이지(7)는 온도 게이지에 의해 이루어진 측정이 상이한 인터페이스(4)에 연결된 셀들 사이의 어떤 온도 차이의 표시를 나타내도록 배열될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 온도 게이지들(7)은 도면에 도시된 x-축 상의 상이한 위치들에서 선형으로 배열된다. 그러나 온도 게이지들(7)의 다른 구성도 고려될 수 있다.
온도 게이지(7)는 저항(6)을 통한 전류의 흐름을 제어하도록 배치된 컨트롤러에 연결될 수 있다. 예를 들어, 온도 게이지(7)는 컨트롤러가 접속되는 하나 또는 다수의 연결부(8)에 (예컨대, 기판(3)에 형성된 전도성 트랙들을 통해) 통신 가능하게 접속될 수 있다. 상기 컨트롤러는 온도 게이지(7)로부터 온도 측정치를 수신하고, 그 수신 된 측정치에 따라 저항(6)을 통과하는 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 예를 들어, 온도 게이지(7)로부터의 측정치가 다른 셀들이 상이한 온도에 있다는 것을 나타내는 경우, 하나 또는 다수의 셀에 근접한 하나 또는 다수의 저항(6)을 통해 전류가 흐르게 되고(예를 들어, 스위치를 개방함으로써), 그 온도 측정치는 다른 셀들과 비교하여 상대적으로 온도가 낮음을 지시한다. 따라서, 상대적으로 온도가 낮은 셀은 하나 또는 다수의 근접한 저항들에 의해 가열되고, 상이한 셀들 사이의 온도차가 감소 된다.
전술 한 바와 같이, 배터리의 모서리 부근에 위치한 (예를 들어, 도면에 도시 된 x-축 상의 가장 멀리 떨어진 위치들) 셀들은 배터리의 중심 근처에 위치한 셀들보다 더 냉각될 수 있다. 상기한 온도 게이지(7)에 의해 이루어진 측정은 컨트롤러에 대한 배터리에서의 임의의 온도 변화(temperature gradient)의 표시를 제공한다. 상기 컨트롤러는 해당 셀들에 가열을 제공하도록 배터리의 모서리에 가까이 위치한 셀들의 근방에 위치한 저항(6)을 통해 전류가 흐르게 하는 것으로써(예를 들어, 하나 또는 다수의 스위치를 개방함으로써) 응답할 수도 있다. 예를 들어, 전류는 도면에 도시된 가장 바깥쪽의 저항들(6)(즉, 도 2a에서 좌측과 우측으로 가장 멀리 떨어진 저항들(6))을 통해서 흐르도록 할 수도 있다. 상대적으로 온도가 낮은 셀에 근접하게 위치한 저항을 통해 가열을 제공함으로써 배터리에서의 어떤 온도 변화라도 감소될 수 있다.
상기 온도 게이지(7)는 온도를 측정할 수 있는 임의의 적절한 구성 요소를 포함할 수 있다. 여기서는 저항(6) 형태로 된 열원(heat source)이 설명되었지만, 일부 실시 예에서는, 다른 형태의 열원이 상호연결 장치(1)에 가열을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 어떠한 적절한 열원이 사용되어도 좋다.
상기 상호연결 장치(1)에 가열 제어를 제공하는 것에 더하여, 또는 이에 대한 대안으로서, 상호연결 장치(1)의 냉각은 온도 게이지(7)에 의해 이루어진 것과 같은 온도 측정에 응답하여 제어될 수 있다. 전술한 바와 같이, 상호연결 장치(1)는 히트 싱크(2)에 근접하게 유체의 흐름(예컨대, 공기 및/또는 액체 냉각제)을 제공함으로써 냉각될 수 있다. 일부 실시 예에서, 유체의 유동 속도는 온도 게이지(7)에 의해 이루어진 측정치에 따라서 제어될 수 있다. 예를 들어, 냉각 유체의 흐름을 생성하는데 사용되는 팬 또는 펌프는 상호연결 장치(1)에 제공되는 냉각량을 제어하기 위해 온도 측정치에 따라서 제어될 수 있다. 상기한 온도 게이지(7)에 의해 취해진 온도 판독치가 해당 셀의 온도가 배터리의 바람직한 동작 온도를 초과하는 것을 나타낼 경우, 냉각 유체의 유동이 증가 될 수 있다. 온도 게이지(7)에 의해 취해진 온도 판독치가 해당 셀의 온도가 배터리의 원하는 동작 온도보다 낮은 것을 나타낼 경우, 그 냉각 유체의 흐름은 감소 될 수도 있다.
각 셀의 충전 상태가 대체로 동일하도록 배터리의 서로 다른 셀들이 대략 동일한 속도로 충전 및/또는 방전되는 것이 바람직할 수 있다. 그러나 시간이 지남에 따라 충전-방전 사이클 동안의 배터리의 다른 셀들의 건전한 상태와 성능은 사용할수록 정상에서 이탈하기 시작할 수 있다. 결과적으로, 소정 시간의 충전/방전 동작에서 상이한 셀들은 상이한 충전 상태를 가질 수 있다. 따라서, 예를 들어, 상이한 셀들 간의 충전 상태의 차이가 감소하도록 배터리에서의 셀의 충전 상태를 관리하는 것이 바람직할 수 있다.
어떤 실시 예들에서는, 상기 인터페이스(1) 에 배터리의 셀 충전 상태를 제어하기 위한 전기 회로가 제공된다. 상기한 회로가 셀의 충전 상태에 대한 수동형(passive) 제어 및/또는 능동형(active) 제어를 제공하도록 배치될 수 있다. 셀의 충전 상태에 대한 수동형 제어는 저항을 통해 셀을 방전시키도록 하나 또는 다수의 셀들에 걸쳐 하나 또는 다수의 바이패스(bypass) 저항들을 연결함으로써 해당 셀의 충전 상태를 감소시키는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 충전 상태를 제어하기 위한 전기 회로는 각 셀의 전압을 측정하기 위한 전압 게이지를 포함할 수도 있다. 최저 전압 셀보다 더 큰 전압을 갖는 임의의 셀은 그 셀의 충전 상태를 감소시켜 그것을 최저 전압 셀과 일치시키도록 바이패스 저항에 연결될 수 있다. 따라서 상기 회로는 하나 또는 다수의 셀을 가로질러 저항을 연결하기 위한 하나 또는 다수의 저항들과 스위치들을 더 포함할 수도 있다. 상기 저항들은, 셀들이 연결되는 하나 또는 다수의 인터페이스들에 저항들(4)을 전기적으로 연결함으로써 (예컨대, 기판 상의 전도성 트랙을 통해) 상기한 하나 또는 다수의 셀들을 가로질러 접속될 수 있다.
셀의 충전 상태를 제어하기 위한 전기 회로의 일부를 구성하는 저항은 기판의 제2면(3b) 상에 장착될 수 있다. 전류가 저항을 통해 유입됨에 따라 저항에서는 열이 발생될 것이다. 전술한 바와 같이, 기판(3)의 제2면(3b)에서 (예컨대, 저항에서) 발생한 열은 기판(3)과 히트 싱크(2)를 통해 전도된다. 따라서 상기 히트 싱크는 셀의 충전 상태를 제어하기 위한 회로에 의해 야기되는 원치 않는 국부적인 가열을 감소시키는 기능을 수행한다.
어떤 실시 예들에 있어서는, 셀의 충전 상태를 제어하기 위해 사용되는 저항은 셀의 온도를 제어하기 위해 제공된 저항(6)과 동일할 수도 있다. 따라서, 동일한 전기 회로를 셀의 충전 상태를 제어하는 것과 셀의 온도를 제어하는 것 모두에 사용할 수 있으며, 이로써 구성요소들의 필요한 수를 감소시킨다. 다른 실시 예들에서는 셀의 충전 상태를 제어하기 위한 전기 회로가 셀의 온도를 제어하기 위한 전기 회로와는 상이할 수도 있는데, 이 경우 충전 상태와 온도를 독립적으로 제어하도록 할 수도 있다.
어떤 실시 예들에서는, 셀의 충전 상태를 제어하기 위한 회로가 추가 또는 대안적으로 구성되어 충전 상태의 능동형 제어를 제공할 수도 있다. 충전 상태의 능동형 제어는 셀들 중 하나에서 또 다른 셀로 전하를 전달하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 셀들의 충전 상태의 균형을 맞추기 위해 상대적으로 높은 전압을 갖는 것으로 측정된 셀로부터 상대적으로 낮은 전압을 갖는 것으로 측정된 셀로 전하가 이동될 수 있다. 능동형 제어를 제공하기 위한 회로는, 예를 들어, 하나 또는 다수의 DC 컨버터 및/또는 스위칭형 캐패시터를 포함할 수 있다. 이러한 구성 요소들(도시되지 않음)은 기판(3)의 제2면(3b) 상에 장착되고, 인터페이스(4)에 전기적으로 연결될 수 있다(예컨대, 상기 제2면(3b) 상의 전도성 트랙을 통해).
어떤 실시 예들에서는, 셀의 충전 상태를 제어하기 위한 회로가 컨트롤러(예컨대, 마이크로프로세서의 형태)를 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러(도시되지 않음)는 기판(3)에 장착하거나 기판과는 별도로 위치할 수 있다. 상기 컨트롤러는 기판(3) 상에 제공된 하나 또는 다수의 연결부들(8)을 통해 상기 기판(3) 상에 배치된 회로(예컨대, 하나 또는 다수의 저항, 스위치, DC 컨버터, 스위치형 캐패시터, 및/또는 기타 구성요소들의 형태로)에 연결될 수 있다.
셀의 충전 상태를 제어하기 위한 컨트롤러는 셀의 온도를 제어하기 위한 컨트롤러와 동일하거나 다를 수도 있다. 어떤 실시 예들에서는, 셀의 충전 상태 및/또는 셀의 온도와 같은 하나 또는 다수의 배터리 속성을 관리하기 위한 배터리 관리 시스템이 제공될 수 있다. 상기 배터리 관리 시스템은, 예를 들어, 하나 또는 다수의 커넥터(8)에 연결함으로써 상호연결 장치(1)에 연결될 수 있다.
상기한 상호연결 장치(1)의 특정 실시 예가 도면에 도시되고 전술한 바와 같이 기술되어 있지만, 본 발명의 다른 실시 예들을 예상할 수도 있다는 것을 인식하여야 할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 따른 상호연결 장치는 본 발명의 영역으로부터 이탈함이 없이 도면에 도시된 구성요소들과는 상이하게 배열되는 구성요소들을 포함할 수도 있다. 추가로 또는 대안적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 상호연결 장치는 도면에서 도시된 것보다 더 많거나 또는 더 적은 수의 구성요소를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 어떤 실시 예에서는, 상호연결 장치는 도면에 도시된 다섯 개의 셀-수용 영역들보다 더 많거나 또는 적은 수의 인터페이스를 포함할 수도 있다.
본 발명의 특정 양태, 실시예 또는 예와 관련하여 기술된 특징, 개체, 특성, 복합물, 화학적 잔기(chemical moieties) 또는 그룹들은, 이들과 양립 불가하지 않는한, 본원에 기재된 임의의 다른 양태, 실시예 또는 예에 적용 가능한 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 청구 범위, 요약서 및 도면을 포함하여, 본 명세서에 개시된 모든 특징 및/또는 그렇게 개시된 임의의 방법 또는 공정의 모든 단계들은, 그러한 특징들 및/또는 단계들 중의 적어도 일부가 상호 배타적인 조합을 제외하고는, 어떠한 임의의 조합으로도 조합될 수 있다. 본 발명은 전술한 실시예들의 세부 사항에만 한정되지 않는다. 본 발명은 본 명세서(첨부된 청구 범위, 요약 및 도면을 포함하여)에서 개시된 특징들의 어떤 새로운 것, 또는 새로운 조합에 까지, 또는 그렇게 개시된 임의의 방법 또는 공정의 과정들의 임의의 새로운 것 또는 임의의 새로운 조합에까지 확장된다.
본 출원과 관련하여 본 명세서와 동시에 또는 그 이전에 제출되고, 본 명세서와 함께 대중의 열람에 제공되어 있는 모든 논문 및 문서들에 대하여 독자들은 유념할 것이 요망되며, 그러한 모든 논문 및 문서의 내용은 참조로서 본 명세서에 통합될 것이다.

Claims (22)

  1. 다수의 셀들을 포함하는 배터리를 위한 상호연결 장치(interconnection)에 있어서, 상기 상호연결 장치는,
    제1면 및 제2면을 갖는 전기절연 기판:
    상기 기판의 상기 제1면 상의 히트 싱크;
    상기 기판의 상기 제2면 상의 전기 전도성 물질의 층으로, 상기 다수의 셀들과의 연결을 위한 하나 또는 다수의 셀-수용(cell-receiving) 영역들을 제공하는 것인 전기 전도성 물질의 층; 및
    기판의 상기 제2면 상에 장착되고 다수의 셀들 중 하나 이상의 셀의 충전 상태 및 다수의 셀들 중 하나 이상의 온도 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 전기 회로;를 포함하는 것인, 상호연결 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기절연 기판은 0.1 W.m-1.K-1 이상의 열 전도도를 갖는 것인 상호연결 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기절연 기판은 3mm 미만의 두께를 갖는 것인 상호연결 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다수의 셀들 중 하나 또는 다수의 충전 상태를 제어하기 위한 상기 전기 회로는 상기 전기절연 기판의 상기 제2면 상에 장착된 하나 또는 다수의 저항들을 포함하는 것인 상호연결 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다수의 셀들 중 하나 또는 다수의 온도를 제어하기 위한 상기 전기 회로는 상기 전기절연 기판의 상기 제2면 상에 장착된 하나 또는 다수의 저항들을 포함하는 상호연결 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 다수의 셀들 중 하나 또는 다수의 온도를 제어하기 위한 상기 전기 회로는 상기 전기절연 기판의 상기 제2면 상에 장착된 다수의 저항들을 포함하되, 각각의 저항은 상기 하나 또는 다수의 셀-수용 영역들에 근접한 위치에 배치되는 것인 상호연결 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 다수의 셀들 중 하나 또는 다수의 충전 상태를 제어하기 위해 사용되는 상기 저항들은 상기 다수의 셀들 중의 하나 또는 다수의 온도를 제어하는데 사용되는 저항들과 동일한 저항인 것을 특징으로 하는 상호연결 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 사용되는 저항들은 외부 회로에 의해 제어되고 외부 소스에 의해 전원이 공급되는 것인 상호연결 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전기절연 기판의 제2면 상에 장착되는 하나 또는 다수의 온도 게이지들을 포함하는 것인 상호연결 장치.
  10. 제9항에 있어서, 다수의 온도 게이지들을 포함하되, 그 각각의 온도 게이지는 상기 하나 또는 다수의 셀-수용 영역들에 근접한 위치에 배치되는 것인 상호연결 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전기 전도성 물질의 층은 상기 전기 전도성 물질의 도전성 트랙에 의해 서로 연결되는 개별적인 셀-수용 영역들에서 상기 기판의 제2면 상에 적층되는 것인 상호연결 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 전기 전도성 물질의 층은 구리인 것인 상호연결 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 히트 싱크는 상기 기판의 제1면 상에 배치된 금속층을 포함하는 것인 상호연결 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 히트 싱크는 알루미늄으로 형성되는 것인 상호연결 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 상호연결 장치는 금속 피복된 인쇄회로 기판을 포함하는 것인 상호연결 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 상호연결 장치; 및
    상기 상호연결 장치의 상기 하나 또는 다수의 셀-수용 영역들에 전기적으로 연결된 다수의 셀들을 포함하는 배터리.
  17. 제16항에 있어서, 상기 셀들은 리튬 황(lithium sulfur) 셀인 것인 배터리.
  18. 제16항에 있어서, 상기 셀들은 상기 상호연결 장치의 셀-수용 영역들에 연결되는 접촉 탭들을 포함하는 것인 배터리.
  19. 제16항에 기재된 배터리의 온도를 제어하는 방법으로서, 상기 방법은, 상기 셀들에서 발생된 열을 상기 기판의 상기 제2면 상의 셀-수용 영역으로, 그리고 상기 기판을 통해서 히트 싱크로 전도함으로써, 상기 배터리로부터 열을 발산시키고, 전기 회로에 의해, 다수의 셀들 중 하나 이상의 셀의 충전 상태 및 다수의 셀들 중 하나 이상의 셀의 온도 중 적어도 하나를 제어하는 동작을 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 기판의 상기 제2면 상에 장착된 하나 또는 다수의 저항들을 통해 전류를 통과시킴으로써, 그에 의해 상기 저항에서 발생 된 열은 하나 또는 다수의 셀들의 온도를 증가시키는데 사용되는 것인 방법.
  21. 제20항에 있어서, 전류는 상기 셀들 사이의 임의의 온도차를 줄이기 위해 하나 또는 다수의 저항들을 통해 지나가도록 하는 것인 방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 셀들의 충전 상태의 차이를 줄이기 위해 상기 기판의 상기 제2면 상에 장착된 하나 또는 다수의 저항들을 통해 하나 또는 다수의 셀들로부터 전류를 인출하는 동작을 포함하는 것인 방법.
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