KR20030066765A - 재충전가능한 배터리 시스템 - Google Patents

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KR20030066765A
KR20030066765A KR10-2003-7008624A KR20037008624A KR20030066765A KR 20030066765 A KR20030066765 A KR 20030066765A KR 20037008624 A KR20037008624 A KR 20037008624A KR 20030066765 A KR20030066765 A KR 20030066765A
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rechargeable battery
battery system
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KR10-2003-7008624A
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오브신스키스탠포드알.
코리간데니스에이.
벤카테산스리니바산
다르서브하쉬케이.
홀란드아더
필모어돈
히글리린
고우필리프
힘러도날드
카디트사스닉
라밍케네쓰
오스굳안토니
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오보닉 배터리 컴퍼니, 아이엔씨.
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Abstract

본 발명은 기계적 및 열적 측면에서 개선된 재충전가능한 배터리, 모듈 및 유체 냉각 배터리 시스템에 관한 것이다. 상기 배터리는 최적의 두께 대 너비 대 높이의 종횡비를 가진 프리즘 형태로서, 최적화된 종횡비를 가지지 않은 프리즘 배터리와 비교했을 때, 이런 최적화된 종횡비로 인해 배터리는 균형잡힌 최적의 특성을 갖출 수 있게 된다. 최적화된 두께, 너비 및 높이는 최대의 용량 및 전력 출력을 가능케 하며 바람직하지 않은 부작용을 제거할 수 있게 된다. 배터리 케이스는 어느 한 방향 방향에 대응하는 외부의 기계적인 압축력에 대하여 용이하게 보충될 수 있는 상기 한 방향의 팽창을 가능케 한다. 상기 모듈(32)에서, 상기 배터리는 팽창으로 인해 외부 압력의 균형을 잡기 위해 극대화되는 외부의 기계적인 압축하에서 모듈 번들링/압축 수단내에서 번들링되며 추가적인 내부 압축을 제공하여 상기 양전극과 상기 음전극간의 거리를 감소시켜 전체 배터리 전력이 증가하도록 한다. 상기 유체 냉각 배터리 팩(39)은 냉각제 입구(41) 및 냉각제 출구(42)를 가지는 배터리 팩 케이스(40); 상기 케이스내에 위치하여 상기 케이스 벽으로부터 이격되며 또한 상기 케이스내의 다른 배터리 모듈로부터 이격되어 그 번들링된 배터리의 적어도 하나의 표면을 따라 냉각제 유동 채널(43)을 형성하도록 하는 배터리 모듈; 및 적어도 하나의 냉각제 이송 수단(44)을 구비한다. 상기 냉각제 유동 채널의 너비는 최대 열 이동을 하도록 형성된다. 마지막으로, 상기 배터리, 모듈 및 팩은 가변적인 대기 상태하에서 원하는 동작 거리내에서 재충전가능한 배터리 시스템의온도를 유지하기 위해, 상기 대기 열 상태에 가장 직접적으로 노출된 상기 재충전가능한 배터리 시스템의 부분에 가변형 열 절연을 제공하는 수단을 또한 포함한다.

Description

재충전가능한 배터리 시스템 {RECHARGEABLE BATTERY SYSTEM}
본 원은 1993년 10월 25일자로 출원된 미국 출원번호 제 08/140,933호의 일부계속출원이다.
본 발명은 대체로 금속 수소화물 배터리, 그로부터 만들어진 배터리 모듈 및 상기 모듈로부터 만들어진 배터리 팩의 개선에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 배터리 디자인, 배터리 모듈 디자인 및 배터리 팩 디자인의 기계적 및 열적 개선에 관한 것이다.
포크 리프트, 골프 카트, 연속형의 전원 공급장치 및 전기 차량과 같은 여러 산업 및 상업 분야에서 재충전가능한 프리즘 배터리가 사용된다.
재충전가능한 납산전지가 현재 가장 널리 사용되는 배터리 형태이다. 납산전지는 내부 연소 엔진용의 시동 모터에 대한 유용한 전원 공급원이다. 그러나, 이들 배터리는 약 30 Wh/kg의 낮은 에너지 밀도와 적절하게 열에 대해 저항할 수 있는 성능의 부족으로 인해 전기 차량에 대하여 비실용적인 전원 공급원이 될 수밖에 없다. 납산전지를 사용하는 전기 차량은 짧은 거리를 주행한 이후에 바로 재충전을 요하게 되며, 재충전을 위해서는 약 6 내지 12시간이 필요하며 유독 물질을 함유하게 된다. 게다가, 납산전지를 사용하는 전기 차량은 느린 가속력을 가지며 급방전에 대해 약한 특성을 보이고 단지 약 20,000 마일의 배터리 수명을 갖는다.
니켈 금속 수소화물 배터리(이하, "Ni-MH 배터리"라 명명함)는 납산전지보다 훨씬 우수하며, Ni-MH 배터리는 전기 차량에 이용가능한 가장 가능성있는 배터리 형태이다. 예를 들어, 본 원의 대응출원이며 참조문헌으로서 이하에 개시된 Ovshinsky Fetcenko에 의해 출원된 미국 특허 출원번호 제 07/934,976호에 개시된 것과 같은 Ni-MH 배터리는 납산전지보다 훨씬 높은 에너지 밀도를 보이며, 재충전하기 전에 전기 차량에 250마일 이상의 전력공급을 할 수 있으며, 15분내에 재충전될 수 있고, 어떠한 유독 물질도 함유하고 있지 않다. Ni-MH 배터리를 사용하는 전기 차량은 예외적인 가속력을 가지며 약 100,000마일 이상의 배터리 수명을 갖는다.
전기화학적 측면에서 Ni-MH 배터리의 전력 및 충전 능력을 개선하고자 이전부터 광범위한 연구가 이루어지고 있으며, 이는 미국 특허번호 제 5,096,667호, 제 5,104,617호 및 미국 특허출원 번호 제 07/746,015호 및 제 07/934,976호에 상세히 개시된다. 이들 모든 참조문헌의 내용이 이하에 명확하게 설명된다.
최초로 Ovshinsky와 그 팀은 음 전극을 형성하는 금속 수소화물 합금에 초점을 두었다. 이러한 노력의 결과, 이들은 효율적이고 경제적인 배터리 응용분야에서 요구되는 가역의 수소 축전 특성을 상당히 향상시킬 수 있었으며, 높은 밀도의 에너지 저장, 효율적인 가역력, 높은 전기 효율성, 구조 변경 또는 중독성분이 없는 효율적인 대량의 수소 축전, 긴 사이클 수명 및 반복되는 급방전이 가능한 배터리를 생산할 수 있었다. 현재에는 이른바 이들 "Ovonic" 합금의 개선된 특성은 선택된 변경자 엘리먼트와 호스트 매트릭스를 통합하여 국부적인 화학적 구성 및 국부적인 구조적 구성을 변경함으로써 얻어진다. 무질서한 금속 수소화물 합금은 단일 또는 다상의 투명 물질에 비해 매우 높은 밀도의 촉매 활성 사이트(site)와 축전 사이트를 가진다. 전기화학 충전/방전의 개선된 효율성 및 전기 에너지 축전 용량의 증가는 이들 추가 사이트로 인해 얻어진다. 축전 사이트의 성질과 그 수는 촉매 활성 사이트와는 별개로 설계될 수 있다. 특히, 이들 합금은 결합 강도에서 분해된 수소원자의 대량 축전이 이차적인 배터리 응용분야에서 사용하기에 적합한 가역성의 범위내에서 가능하도록 변형된다.
몇몇 매우 효율적인 전기화학 수소 축전물질은 상기한 바의 무질서형태의 물질에 기준하여 형성된다. 이들은 Sapru, Hong, Fetcenko, 및 Venkatesan의 미국 특허번호 제 4,551,400호(이하, "'400 특허")에 개시된 것과 같은 Ti-V-Zr-Ni형의 활성물질이며, 이 '400 특허는 이하에서 참조문헌으로서 개시된다. 이들 물질은 수소를 저장하기 위해 역으로 수소화물을 형성한다. '400 특허에서 사용된 모든 물질은 적어도 Ti, V, 및 Ni가 존재하며 Cr, Zr, 및 Al을 가지고 변경될 수도 있는 일반적인 Ti-V-Ni 화합물을 사용한다. '400 특허의 이 물질은 C14및 C15형의 결정 구조를 가진 하나 이상의 위상을 포함하나 이에 한정되지 않는 다상 물질이다.
또한 다른 Ti-V-Ni 합금은 재충전가능한 수소 축전 음전극용으로 사용된다. 그러한 형태의 물질은 Venkatesan, Reichman 및 Fetcenko의 미국 특허번호 제 4,728,586호(이하, "'586 특허")에 개시되며, 이 '586 특허는 이하에서 참조문헌으로서 개시된다. '586 특허는 Ti, V, Zr, Ni 및 5번째 구성요소인, Cr으로 이루어진 특정 서브클래스의 Ti-V-Ni-Zr 합금을 개시한다. '586 특허는 Ti, V, Zr, Ni 및 Cr 구성요소의 합금 이외에 첨가제 또는 변경자의 가능성에 대해 언급하며, 특정의 첨가제 및 변경자, 이들 변경자의 양 및 그들간의 상호작용, 및 이들로부터 예측될 수 있는 특별한 이점을 일반적으로 제시한다.
상기한 바 있는 Ovonic 합금과 비교하여, 상기 합금은 다른 화학, 마이크로스트럭쳐 및 전기화학적 특성을 가진 "순서를 가진" 물질로서 대체로 간주된다. 초기에 순서를 가진 물질의 성능은 형편없었으나, 1980년대 초기에, 변형정도가 강해짐에 따라(즉, 기본 변경자의 수 및 양이 증가함에 따라), 이들 성능은 상당히 향상되기 시작했다. 이는 변경자의 전기 및 화학적 속성에 기인한 만큼과 같은 정도의 변경자에 의해 제공된 무질서에 기인한 것이다. 특정 클래스의 "순서를 가진" 물질로부터 현재의 다중 구성요소, 다상의 "무질서" 합금까지의 합금의 발전과정은 다음의 특허에서 볼 수 있다: (i) 미국 특허번호 제 3,874,928호; (ii) 미국 특허번호 제 4,214,043호; (iii) 미국 특허번호 제 4,107,395호; (iv) 미국 특허번호제 4,107,405호; (v) 미국 특허번호 제 4,112,199호; (vi) 미국 특허번호 제 4,125,688호; (vii) 미국 특허번호 제 4,214,043호; (viii) 미국 특허번호 제 4,216,274호; (ix) 미국 특허번호 제 4,487,817호; (x) 미국 특허번호 제 4,605,603호; (xii) 미국 특허번호 제 4,696,873호; 및 (xiii) 미국 특허번호 제 4,699,856호(이들 참조문헌은 미국 특허번호 제 5,096,667호에 포괄적으로 개시되며, 이들 논의는 참조문헌으로서 명백히 개시된다).
간략히 언급했듯이, 모든 금속 수소화물 합금에 있어서, 변경정도가 증가함에 따라, 초기의 순서를 갖춘 기본 합금의 역할의 중요성이 특별한 변경자로 인한 특성 및 무질서에 비해서 떨어졌다. 게다가, 시장에서 이용가능하며 다양한 제조업자에 의해 생산되는 현재의 다중 구성요소 합금의 분석을 보면, 이들 합금이 Ovonic 합금 시스템에 대해 설정된 가이드라인을 뒤쫓아서 변경된다는 점을 보여준다. 그 결과, 상기한 바와 같이, 매우 많이 변경된 합금은 다중 구성요소 및 다상, 즉 Ovonic 합금에 의해 특징지워지는 무질서 물질이다.
명백히, Ovonic 합금 기술의 도입은 Ni-MH 배터리의 활성의 전기화학적 측면에 있어서 중요한 진보를 가져왔다. 그러나, 최근까지 Ni-MH 배터리 성능의 기계적 및 열적 측면이 간과되어 왔다는 점을 주목해야만 한다.
예를 들어, 전기 차량에 있어서, 배터리 무게는 차량 무게의 가장 큰 구성부분이므로 중요한 인자가 된다. 이러한 이유로, 개별 배터리의 무게를 줄이는 것이 전기 추진 차량의 배터리를 설계하는 데 있어서 중요한 고려대상이 되었다. 배터리 무게의 감소와 더불어, 모듈의 필요한 기계적 요구조건(즉, 운송의 편이, 강성 등)을 여전히 제공하면서도 배터리 모듈의 무게를 감소시켜야만 한다. 또한, 이러한 배터리 모듈이 배터리 팩 시스템(전기 차량 용도와 같은)과 결합되었을 때, 그 배터리 팩 구성요소는 가능한 경량이 되어야만 한다.
전기 차량 응용분야에서는 열 관리에 대해서 중요한 요구조건을 가져야만 한다는 점을 특히 주목해야만 한다. 이는 개개의 셀이 근접하여 서로 번들링되며 많은 셀이 전기적으로 그리고 열적으로 서로 연결되기 때문이다. 그러므로, 충전 및 방전 동안 상당한 열을 발생하는 고유의 경향이 있으므로, 전기 차량용의 동작가능한 배터리 설계는 그 발생된 열이 충분히 제어될 수 있는 지의 여부에 따라서 결정된다.
열원은 주로 세 겹으로 이루어진다. 첫째, 더운 기후에서 차량의 동작으로 인한 대기 열. 둘째, 충전 및 방전 중에 저항 또는 I2R 가열, 여기서 I는 배터리내로 또는 밖으로 흐르는 전류를 나타내며 R은 배터리의 저항을 나타낸다. 셋째, 과다한 양의 열이 가스 재결합으로 인한 과충전 동안에 발생된다.
상기 파라미터가 모든 전기 배터리 시스템에 일반적으로 공통되지만, 이들은 니켈-금속 수소화물 배터리 시스템에 특히 중요하다. 이는 Ni-MH가 그러한 높은 특정 에너지를 가지며 충전 및 방전 전류가 또한 높기 때문이다. 예를 들어, 한시간 내에 납산전지를 충전하기 위해서는, 35 Amps의 전류가 사용되나, Ni-MH 배터리의 재충전은 동일한 한 시간의 재충전을 위해 100 Amps의 전류가 사용된다. 둘째, Ni-MH가 예외적인 에너지 밀도(즉, 에너지가 매우 조밀하게 저장됨)를 갖기 때문에,열 방출이 납산전지보다 더 어렵다. 이는 표면 면적 대 체적 비가 납산전지보다 상당히 작기 때문이며, 이는 발생된 열이 납산전지에 대해서 보다도 Ni-MH 배터리에 대해 2.5배 더 많은 반면, 열 방출 표면이 줄어드는 것을 의미한다.
다음의 예시는 전기 차량용의 Ni-MH 배터리 팩 설계시 직면하는 열관리 문제를 이해하는 데 도움이 된다. General Motors에 특허허여된 미국 특허번호 제 5,378,555호(이하에 참조문헌으로서 개시됨)에는, 납산전지를 사용하는 전기 차량 배터리 팩이 개시된다. 납산전지를 이용하는 배터리 팩 시스템은 약 13 kWh의 용량과 약 800 파운드의 무게를 가지며, 약 90 마일의 운송 거리를 갖는다. 납산전지 팩을 동일한 크기의 Ovonic 배터리 팩으로 대체함으로써, 그 용량은 35 kWh로 증가하고 운송 거리는 약 250 마일까지 늘어난다. 이 비교를 통해 15분의 충전 동안, Ni-MH 배터리 팩에 공급되는 전원은 상응하는 추가 열을 가지며, 납산전지 팩에 공급되는 전력보다 2.7배 더 큼을 알 수 있다. 그러나, 이 상황은 방전 중에는 다소 다르다. 고속도로에서 일정속도를 가지는 차량에 전력을 공급하기 위해서는, 그 배터리에 흡수되는 전류는 Ni-MH 배터리 또는 납산전지(또는 다른 전력원)이든지 간에 동일하다. 기본적으로 차량을 구동하는 전기 모터는 어디에서 에너지를 얻는지 또는 어떤 형태의 배터리가 전력을 공급하는지를 알 지 못하거나 관심이 없다. 방전시에 Ni-MH 배터리 및 납산전지의 가열의 차이점은 방전 거리이다. 즉, Ni-MH 배터리는 납산전지보다 2.7배 더 먼 거리로 차량을 구동하기 때문에, 이 배터리는 "냉각"하기 전에 더 많은 작동시간을 가지게 된다.
게다가, 소형의 소비자 배터리 또는 비교적 아주 큰 배터리가 한정된 시간동안에 단독으로 사용될 경우 Ni-MH 배터리의 충전 및 방전 중에 발생된 열은 그 배터리 내에서 보통 문제가 되지 않는 반면에, 연속적인 전력원으로서 기능하는 큰 배터리는, 특히 인공위성 또는 전기 차량내에서와 같이, 하나 이상이 직렬 또는 병렬로 사용될 때, 방전 및 충전시에 충분한 열을 발생하여 배터리 모듈 또는 배터리 팩 시스템의 궁극적인 성능에 영향을 미치게 된다.
그 결과, 배터리, 배터리 모듈 및 배터리 팩 시스템 설계 분야에서 이들의 전반적인 무게를 감소시키고, 에너지 저장용량 또는 전력 출력량을 줄이지 않으면서 전기 차량의 원만한 운용을 위해 요구되는 필수요건인 열관리를 실행하며, 배터리의 신뢰성을 향상시키고, 그 비용을 감소시킬 필요가 있게 된다.
선행 기술의 결함
고에너지 배터리를 이용하는 전기 차량 배터리 시스템의 열관리는 전에는 결코 증명되지 못했다. 상승 온도에서 작용하는 Na-S와 같은 몇몇 기술은 완전히 절연되어서 특정의 작용 온도를 유지하도록 하는 방식이다. 이러한 배열은 열관리 장치의 지나친 하중, 고도의 복잡성 및 지나친 비용증가로 인한 전반적인 에너지 밀도에서의 심한 부담으로 인해 바람직하지 못하다. Ni-Cd와 같은 다른 시스템에서, 열관리 장치는 수냉식 시스템을 이용하는 시도도 했다. 또한, 이러한 유형의 열관리 시스템은 배터리 팩에 대해 중량, 복잡도 및 비용 문제를 수반한다.
간략히 명기한 바와 같이, 선행 기술의 내용은 통합된 배터리 구조/내부 디자인, 배터리 모듈 및 경량이며 복잡하지 않고 저가이며, 상기 배터리, 모듈 및 팩의 기계적인 지지부와 공기 냉각 열관리 시스템을 결합하는 열적 측면에서 관리될수 있는 배터리 팩 시스템을 제시하지 않는다.
발명의 요약
본 발명의 한 측면에 따르면, 본 발명은 기계적으로 개선된 재충전가능한 배터리를 제공한다. 상기 배터리는: 1)배터리 양전극 단자 및 배터리 음전극 단자를 갖는 배터리 케이스; 2)상기 배터리 케이스 내에 위치하며 상기 배터리 양전극 단자와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 배터리 양전극; 3)상기 배터리 케이스 내에 위치하며 상기 배터리 음전극 단자와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 배터리 음전극; 4)상기 배터리 케이스 내의 상기 양전극 및 음전극 사이에 위치하여 상기 음전극으로부터 상기 양전극을 전기적으로 절연하나 이들의 화학적인 상호작용을 가능하도록 하는 적어도 하나의 배터리 전극 분리기; 및 5)상기 양전극, 상기 음전극 및 상기 분리기를 둘러싸며 침수시키는 배터리 전해액을 구비한다. 상기 배터리 케이스는 프리즘 형태이며 최적의 두께 대 너비 대 높이의 종횡비를 갖는다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 개선된, 고전력 배터리 모듈을 구비한다. 본 발명의 배터리 모듈은: 1)다수 개의 개별 배터리; 2)상기 모듈의 상기 개별 배터리를 서로 연결하며 별개의 배터리 모듈을 전기적으로 서로 연결하기 위한 수단을 제공하는 다수 개의 전기적 상호 연결장치; 및 3)배터리 모듈 번들링/압축 수단을 구비한다. 상기 배터리는 배터리 구성요소의 팽창으로 인해 발생되는 외부 압력의 균형을 맞추기 위해 최적의 외부의 기계적인 압축하에서 상기 모듈 번들링/압축 수단내에서 번들링되며 각 셀내에서 상기 배터리 전극상에 추가적인 내부압축을 제공하여 상기 양전극과 상기 음전극간의 거리를 감소시켜 전체 셀 전력을 증가시킨다.
상기 모듈 번들링/압축 수단은 1)요구되는 배터리 압축 정도를 고려하며; 2)진동에 대한 저항을 가진 모듈 번들러의 요구되는 기계적인 기능을 수행하며; 3)가능한 가볍게 설계된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 경량의 기계적인 구조를 가진 유체 냉각 배터리 팩 시스템을 제공한다. 가장 기본적으로, 본 발명의 유체 냉각 배터리 팩 시스템은: 1)적어도 하나의 냉각제 입구 및 적어도 하나의 냉각제 출구를 가지는 배터리 팩 케이스; 2)상기 케이스 내에 위치하여서 상기 케이스 벽으로부터 이격되며 또한 상기 케이스 내의 다른 배터리 모듈로부터 이격되어 그 번들링된 배터리의 적어도 하나의 표면을 따라, 그 너비가 상기 배터리로부터 상기 냉각제까지 대류이며 도전성을 가진 방사성의 열 이동장치를 통해 최대의 열 이동을 가능하게 하는 최적의 크기를 갖는 냉각제 유동 채널을 형성하도록 하는 적어도 하나의 배터리 모듈; 및 3)상기 냉각제가 상기 케이스의 상기 냉각제 입구 수단으로 유입되도록 하여 상기 냉각제 유동 채널을 통해 흘러서 상기 케이스의 상기 냉각제 출구 수단을 통해 배출되도록 하는 적어도 하나의 냉각제 이송 수단을 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 배터리 팩 시스템은 공기로 냉각되어진다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 상기 배터리, 모듈 및 배터리 팩 시스템의 상기 언급된 기계적인 설계는 최소의 과충전 및 열 발생 관리를 통해 배터리 수명을 연장하면서 상기 배터리 팩 시스템을 빠르게 충전하도록 설계된 충전기 알고리즘을 통해 전자적으로 일체화된다.
최종적으로, 상기 배터리, 모듈 및 팩은 가변적인 대기 상태에서 원하는 동작 거리 내에서 상기 재충전가능한 배터리 시스템의 온도를 유지하기 위해, 상기 대기 열 상태에 가장 많이 직접적으로 노출된 상기 재충전가능한 배터리 시스템의 적어도 그 부분에 가변형의 열 절연을 제공하는 수단을 또한 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 기계적으로 개선된 재충전가능한 배터리, 특히 배터리 전극, 분리기, 배터리 케이스 및 배터리 전극 단자들을 도시한 횡단면도;
도 2는 본 발명에 따른 기계적으로 개선된 재충전가능한 배터리, 특히 결합시 상호작용하는 배터리 구성요소들을 도시한 도식화된 횡단면 전개도;
도 3은 도 2에 도시된 단자, 캔 상부, 단자 실 및 전극 콤의 확대도;
도 4는 배터리 캔 상부에 배터리 단자를 실링하기 위해 형성된 주름 실의 횡단면도;
도 5는 상기 배터리 단자의 일 실시예, 특히 압력 배출구가 단자와 어떻게 통합될 수 있는 지를 도시한 횡단면도;
도 6은 상기 배터리 단자의 다른 실시예, 특히 소켓형태의 전기적인 납 연결장치와 단자가 어떻게 통합될 수 있는 지를 도시한 횡단면도;
도 7은 전극 콤의 예시도;
도 8은 본 발명의 배터리 모듈, 특히 일정 방향성, 외부의 기계적인 압축하에서 배터리를 지지하는 바 및 엔드 플레이트 및 압축 축을 포함하여 번들링되는 배터리들을 도시한 상면도;
도 9는 도 8의 배터리 모듈, 특히 엔드 플레이트의 리브내의 슬롯에 설정된금속 바를 도시한 측면도;
도 10은 도 8 및 9의 배터리 모듈, 특히 서로 상호작용하는 엔드 플레이트 및 압축 바를 도시한 부분도;
도 11은 본 발명의 배터리 모듈, 특히 본 발명에 따른 모듈 스페이서 및 이에 부착된 스페이서 탭을 도시한 상면도;
도 12는 도 11의 배터리 모듈, 특히 배터리 모듈의 상부 및 하부상에 위치한 모듈 스페이서를 도시한 측면도;
도 13a는 본 발명에 따른 배터리 모듈의 단 플레이트의 일 실시예, 특히 리브가 형성된 엔드 플레이트를 도시한 예시도;
도 13b는 도 13a의 리브가 형성된 엔드 플레이트의 횡단면도;
도 14는 본 발명에 따른 모듈 및 배터리 팩에서 유용한 편조 케이블 상호연결장치의 일 실시예, 특히 플랫형의 편조 케이블 전기적 상호연결장치를 도시한 예시도;
도 15는 본 발명에 따른 유체 냉각 배터리 팩의 일 실시예, 특히 모듈 스페이서가 냉각제 유동 채널, 유체 입구 및 출구 포트 및 유체 이송 수단을 형성하게 되는 팩 케이스 내의 배터리 모듈의 매트릭스 배치를 도시한 상면도;
도 16은 팩 자기 방전 동안 배터리 온도에 영향을 미치는 온도 제어형의 팬 알고리즘을 나타내는 배터리 온도 대 정지 시간의 구성도;
도 17은 배터리 저항 및 배터리 두께 대 외부 압축력, 최적의 기능적인 범위를 보여준 구성도;
도 18은 Wh/kg의 배터리 온도 대 특정 에너지의 구성을 보여주는 배터리의 특정 에너지에 대한 온도 효과의 예시도;
도 19는 W/kg의 배터리 온도 대 특정 전력의 구성을 보여주는 배터리의 특정 전력에 대한 온도 효과의 예시도;
도 20은 냉각제 체적 유량 및 냉각제 유동 채널을 통해 수직으로 흐르는 냉각제에 대한 최대 열전달 및 냉각제 속도율 대 센터라인 간격(냉각제 채널의 평균 너비와 관련된) 관계의 구성도;
도 21은 냉각제 체적 유량 및 냉각제 유동 채널을 통해 수평으로 흐르는 냉각제에 대한 최대 열전달 및 냉각제 속도율 대 센터라인 간격(냉각제 채널의 평균 너비와 관련된) 관계의 구성도;
도 22는 "온도보상 전압 리드" 충전 방법을 이용하여 충전 및 방전중에 대기로부터 온도 상승 및 팩 전압 대 시간 관계의 구성도;
도 23은 "고정 전압 리드" 충전 방법을 이용하여 충전 및 방전중에 대기로부터 온도 상승 및 팩 전압 대 시간 관계의 구성도;
도 24는 Ah에서 측정된 배터리 용량 대 M-계열 배터리에 대한 배터리 형태 관계의 구성도;
도 25는 W에서 측정된 배터리 전력 대 M-계열 배터리에 대한 배터리 형태 관계의 구성도;
도 26은 mAh/cm2에서 측정된 정규화된 배터리 용량 대 M-계열 배터리에 대한배터리 형태 관계의 구성도;
도 27은 mW/cm2에서 측정된 정규화된 배터리 전력 대 M-계열 배터리에 대한 배터리 형태 관계의 구성도;
도 28은 W/Kg에서 측정된 특정 배터리 전력 대 M-계열 배터리에 대한 배터리 형태 관계의 구성도; 및
도 29는 Wh/kg에서 측정된 특정 배터리 에너지 대 M-계열 배터리에 대한 배터리 형태 관계의 구성도.
일반적으로 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 측면은 기계적으로 개선된 재충전가능한 배터리를 제공한다. 보편적으로 니켈 금속 수소화물 배터리 시스템과 같은 재충전가능한 배터리 분야에서는, 배터리, 모듈 및 팩 설계의 기계적 측면을 개선하는 데 있어서 보다 적은 시간과 에너지를 소비하면서 배터리의 전기화학적 측면에 중요성을 많이 두게 된다.
본 발명자들은 에너지 밀도(부피 및 중량 측정 모두), 강도, 내구성, 배터리 성능의 기계적 측면 및 열 관리와 같은 측면을 살피면서 재충전가능한 배터리 시스템의 기계적 측면에서의 설계상의 개선점을 연구해왔다.
이러한 연구에 따라서, 본 발명자들은 기계적으로 향상된 재충전가능한 배터리(1)를 제공한다. 상기 배터리는: 1)배터리 양전극 단자(7) 및 배터리 음전극 단자(8)를 가지는 배터리 케이스(2); 2)상기 배터리 케이스(2)내에 위치하며 상기 배터리 양전극 단자(7)와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 배터리 양전극(5); 3)상기 배터리 케이스(2)내에 위치하며 상기 배터리 음전극 단자(8)와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 배터리 음전극(4); 4)상기 배터리 케이스(2)내의 상기 양전극 및음전극 사이에 위치하여 상기 음전극으로부터 상기 양전극을 전기적으로 절연하나 이들의 화학적인 상호작용을 가능하도록 하는 적어도 하나의 배터리 전극 분리기(6); 및 5)상기 양전극(5), 상기 음전극(4), 및 상기 분리기(6)를 둘러싸며 침수시키는 배터리 전해액(미도시)을 구비한다. 상기 배터리 케이스(2)는 프리즘 형태이며 최적의 두께 대 너비 대 높이의 종횡비를 갖는다.
여기에 사용된 것으로서, 용어 "배터리"는 특히 분리기에 의해 분리되며, 외부에 양단자 및 음단자를 가진 케이스 내에 밀봉되며 각각의 단자에 모두 연결되는 다수 의 양전극 및 음전극을 포함하는 전기화학적 셀을 가리킨다.
하기한 바와 같이, 그러한 최적화된 종횡비를 가지지 않은 프리즘형의 배터리와 비교했을 때, 이런 최적화된 종횡비로 인해 배터리는 균형잡힌 최적의 특성을 갖출 수 있게 된다. 특히, 두께, 너비 및 높이가 모두 최적화되어 최대의 용량 및 전력 출력을 가능케 하며 해로운 부작용을 제거할 수 있게 된다. 게다가, 이러한 특별한 케이스는 일정 방향으로 외부적인 기계적 압축을 가짐으로써 용이하게 보충될 수 있는 그러한 일정 방향의 팽창을 할 수 있도록 설계된다. 본 발명자들은 최적의 전극 두께 대 너비 비는 약 0.1 대 0.75 사이이며 최적의 높이 대 너비 비는 0.75 대 2. 1 사이임을 알게 되었다. 특정의 배터리 예들과 그 전극 높이 대 너비 비가 아래의 표 1에 보여진다.
표 1
배터리 형태 높이(mm) 너비(mm) 비(H/W)
L 140 75 1.87
M 187 91 2.06
M-20 167 91 1.84
M-40 147 91 1.62
M-60 127 91 1.40
최적의 비율 범위내에서도, 배터리의 원하는 특성에 따라 좌우되는 부차적인 최적의 범위도 있음을 주목해야만 한다. 도 24 내지 29는 M 계열의 배터리(표 1에 도시한)의 여러 가지 높이 대 너비 종횡비가 어떤 방식에서 원하는 특정 특성에 좌우되는 여러 가지 최적효과를 제공하는 지를 보여준다. 각각 Ah에서 배터리 용량 및 W에서 측정된 배터리 전력 대 배터리 형태 관계의 구성도인 도 24 및 25는 M 셀이 최대의 용량과 전력면에서 우수하다는 사실을 보여준다. 그러나, mAh/cm2에서 측정된 정규화된 배터리 용량 및 mW/cm2에서 측정된 배터리 전력 대 배터리 형태 관계의 구성도인 도 26 및 27에서 알 수 있듯이, 만약 용량 및 전력이 전극 범위내에서 정규화된다면, M-40 셀이 가장 우수하다. 또한, 만약 배터리의 특정 전력이 정해진다면, W/Kg에서 측정된 배터리의 특정 전력 대 배터리 형태 관계의 구성도인 도 28에 도시한 바와 같이, 또한 M-40 셀이 우수하다. 마지막으로, 만약 배터리의 특정 에너지가 중요하다면, Wh/Kg에서 측정된 배터리의 특정 에너지 대 배터리 형태 관계의 구성도인 도 29에 도시한 바와 같이, M-20 셀이 우수하다.
최적비의 결정에서, 본 발명자들은 만약 배터리의 높이가 너무 높다면(크다면) 전극이 팽창 및 수축시에 갈라지는 경향이 심해진다는 점을 알게 되었다. 또한 전극의 내부 전기저항이 늘어나게 되고 배터리의 하부로의 전해액의 중량적인 분리가 전극의 상부를 건조하게 하는 문제가 발생한다. 이런 후자의 문제는 배터리의 용량 및 전력 출력을 감소시킨다. 한편, 만약 전극이 너무 짧으면, 배터리의 용량 및 전력은 전기화학적 활성 물질의 낮아진 함유량으로 인해 줄어들게 되고 배터리의 특정 에너지 밀도는 자중 배터리 구성요소 대 전기화학적 활성 구성요소의 비율 변화로 인해 줄어들게 된다.
또한, 만약 배터리가 너무 넓으면, 전극이 팽창 및 수축시에 갈라지는 경향이 심해진다. 또한 배터리의 용량 및 전력 출력을 감소시키는 전극의 내부 전기저항이 늘어나게 되는 문제가 발생한다. 그러나, 만약 전극이 너무 좁으면, 배터리의 용량 및 전력은 전기화학적 활성 물질의 낮아진 함유량으로 인해 줄어들게 되고 배터리의 특정 에너지 밀도는 자중 배터리 구성요소 대 전기화학적 활성 구성요소의 비율 변화로 인해 줄어들게 된다.
마지막으로, 만약 배터리가 너무 두꺼우면, 배터리 용량 및 전력을 감소시키게 되는 중심 전극으로부터 열방출이 부적절하게 이루어지는 문제가 발생한다. 또한, 배터리 케이스에 휨 현상과 손상을 가져오며 양전극과 음전극간에 갭을 형성하여 배터리 전력과 용량을 감소하게 하는 두께 방향으로 전반적인 전극 번들의 팽창현상이 증가된다. 이러한 지나친 전극 번들의 팽창은 외부적인 기계적 압축에 의해 보충되어야만 한다. 그러나, 배터리가 너무 두꺼울 때는, 지나친 외부 압력이 전극의 팽창과 분열을 보충하기 위해 필요하게 된다. 한편, 만약 배터리가 너무 얇으면, 적은 수의 전극이 배터리 내에 존재할 것이며, 그러므로, 배터리의 용량 및 전력은 전기화학적 활성 물질의 낮아진 함유량으로 인해 줄어들게 되고 배터리의 특정 에너지 밀도는 자중 배터리 구성요소 대 전기화학적 활성 구성요소의 비율 변화로 인해 줄어들게 된다.
본 발명 내의 용어 "팽창"은 열 및 전기화학적인 팽창을 모두 포함한다. 열 팽창은 상기한 바 있는 그러한 메커니즘에 의해 배터리 구성요소의 가열로 인한 것이며 전기화학적 팽창은 배터리의 전기화학적 활성 물질의 충전 및 방전된 상태에서 다른 격자 구조 사이에서 생기는 변화에 기인하다.
상기 배터리 케이스(2)는 바람직하게 열 전도성이며 기계적으로 강하고 단단하며 금속과 같이 배터리 화학성질에 화학적으로 비활성인 물질로부터 형성된다. 또는, 상기 배터리 케이스 물질로서 폴리머 또는 복합 물질이 사용될 수 있다. 그러한 물질을 선택함에 있어서, 열전달 측면이 고려되어야만 한다. 참조문헌으로서 본 원에 개시된, 1995년 5월 5일자로 출원된 미국 출원번호 제 08/238,570호에 상세히 개시된 바와 같이, 플라스틱 케이스를 통한 실험결과는 플라스틱 케이스를 가진 금속 수소화물 배터리의 내부 온도는 용량의 120%로의 C/10에서 사이클링 후에 대기로부터 약 80℃ 상승하나, 반면에 스테인레스 스틸 케이스는 단지 32℃ 정도 상승한다. 그 결과, 열전도성의 폴리머 또는 복합 물질로 이루어진 케이스가 바람직함을 알 수 있다. 가장 바람직하게, 상기 케이스는 스테인레스 스틸로 형성된 것이다. 금속 케이스의 외부를 비전도성의 폴리머 코팅제(미도시)로 코팅함으로써 주위 환경으로부터 금속 케이스의 외부를 전기적으로 절연하는 것이 바람직하다. 그러한 코팅층의 예로서 폴리에스테르와 같은 폴리머로 만들어진 절연성의 폴리머 테이프 층을 들 수 있다. 상기 폴리머 테이프의 기계적인 세기 및 그 거친 표면은 절연 특성만큼 중요하다. 또한, 바람직하게 이는 저가이며, 균일하며 얇다.
또한 상기 배터리 케이스(2)의 내부는 배터리 전극으로부터 전기적으로 절연되어야만 한다. 이는 상기 배터리 케이스의 내부상에 전기적 절연 폴리머(미도시)를 코팅하거나, 또는 배터리 화학성질에 비활성상태에 있는 전기적 절연 폴리머 백(미도시)내에 배터리 전극 및 전해액을 담아둠으로써 달성될 수 있다. 그런 다음, 이 백은 밀봉되어 상기 배터리 케이스(2)내에 삽입된다.
도 2에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 배터리 케이스는 상기 배터리 양전극 단자(7) 및 상기 배터리 음전극 단자(8)가 부착되는 상부 케이스(3) 및 상기 전극(4 및 5)이 위치하는 배터리 케이스 캔(9)을 포함한다. 도 3은 개구부(13)를 구비한 상기 상부 케이스(3)를 도시하는 데, 상기 개구부(13)를 통해서 상기 배터리 양전극 단자(7) 및 상기 배터리 음전극 단자(8)가 상기 배터리 전극(4 및 5)과 전기적 전달 관계를 갖게 된다. 상기 개구부(13)의 직경은 상기 단자(7 및 8)의 외경보다는 약간 크나 상기 상부 케이스(3)에 상기 단자(7 및 8)를 실링하기 위해 사용되는 실(10)의 외경보다는 작다. 상기 단자(7 및 8)는 상기 실(10)을 이용하여 상기 케이스 상부(3)에 상기 단자(7 및 8)를 실링하는 데 도움이 되는 실링 립(11)을 포함한다. 전형적으로 상기 실(10)은 실링 링이다. 상기 실(10)은 실링 립 슬롯(12)을 구비하는 데, 이를 통해 상기 단자(7 및 8)의 상기 실링 립(11)이 끼워지게 된다. 이러한 슬롯(12)은 상기 단자(7 및 8)와 상기 케이스 상부(3) 사이의 양호한 압력 실을 형성하도록 하며 상기 단자(7 및 8)가 상기 케이스 상부(3)내로 주름이 잡아질 때에 상기 실(10)을 유지하도록 한다. 바람직하게 상기 실(10)은 예를 들어, 폴리술폰과 같은 탄성 폴리머이며, 절연성의 수소 불침투성 물질로 이루어진다. 또한 상기 케이스 상부(3)는 상기 개구부(13) 각각을 둘러싸며 상기 케이스 상부(3)로부터 외측으로 확장되는 슈라우드(14)를 구비한다. 상기 슈라우드(14)는 상기 실(10)의 외경보다 다소 큰 내경을 가진다. 상기 슈라우드(14)는 상기 배터리 단자(7 및 8)의 상기 실(10) 및 상기 실링 립(11) 주변에서 주름이 형성되어 상기 단자(7 및 8)와 상기 케이스 상부(3)간의 비전도성의 압력 실을 형성하게 된다. 상기 주름형성의 단자 실은 선행기술에서의 나사산 형태의 실에 비해서 진동에 대한 저항능력을 제공해준다. 상기 케이스 상부(3), 케이스 캔(9) 및 환형의 슈라우드(14)는 304L 스테인레스 스틸을 가지고 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리의 일부, 특히 상기 배터리 단자(7 및 8)가 상기 케이스 상부(3)내로 주름 실링되는 형상을 도시한다. 도시한 바와 같이, 상기 케이스 상부(3)의 상기 슈라우드(14)가 상기 배터리 단자(7 및 8)의 상기 실링 립(11) 주위에서 번갈아 실링되는 상기 실(10) 주위에서 주름 실링되는 방법을 명백히 알 수 있다. 이러한 방법으로 인해 진동에 대한 저항력을 가진 압력 실이 형성된다.
상기 케이스 상부(3)에 상기 단자(7 및 8)를 부착하는 방법은 상기 케이스 상부(3)에 상기 단자(7 및 8)를 주름 실링하는 방법이다. 이러한 주름 실링 방법은 선행 기술에 비해 많은 이점을 갖고 있다. 주름 실링은 고속의 장비에서 신속하게 이루어져 직접적인 비용 절감의 효과를 가져온다. 게다가, 이 방법은 선행 기술보다 적은 양의 물질을 사용하여 상기 단자의 무게를 감소시켜 간접적인 비용 절감효과를 제공한다. 또한 감소된 중량의 물질과 결합된 이러한 설계의 더 높은 표면 영역은 상기 단자로부터 열 방출을 증가하게 한다. 본 발명에 따른 또 다른 이점은 어떤 가단성의 물질로부터 상기 배터리 케이스 및 다른 구성부를 형성할 수 있으며 특히 레이저 실링, 금속 실에 대한 특정 세라믹, 또는 다른 특정( 및 그로 인한 고가의) 방법을 요구하지 않는다. 또한, 전체 구성부의 수와 고도로 기계가공되며 정밀 제조된 구성부에 대한 요구가 필요하지 않게 된다.
상기 배터리 단자(7 및 8)는 전형적으로 구리 또는 구리 합금 물질로 형성되며, 바람직하게는 내부식성을 위해 판금된 니켈로 만들어진다. 그러나, 배터리 화학성질과 호환될 수 있는 전기적으로 전도성이 있는 어떤 물질도 사용될 수 있다. 본 발명의 맥락에서 개시한 상기 배터리 단자(7 및 8)는 적은 환상 두께를 가지며 선행 기술의 직경보다 큰 직경을 가진다. 그 결과, 본 발명의 단자는 매우 효율적인 열 방출기가 되어 배터리의 열 관리에 상당한 기여를 하게 된다.
상기 단자(7 및 8)는 또한 축방향으로 정렬된 중앙 개구부(15)를 포함한다. 상기 중앙 개구부(15)는 다용도로서 작용한다. 중요하게도, 이 개구부는 배터리의 중량을 감소시키는 역할을 한다. 또한 상기 개구부는 외부 전기 연결장치가 마찰방식에서 끼워지도록 하는 개구부로서의 기능을 한다. 상기 개구부(15)를 통해 원통형 또는 환형의 배터리 납 연결장치가 마찰방식에서 끼워짐으로써 배터리에 외부적인 전기 접속을 가능하도록 한다. 마지막으로, 상기 개구부는 상기 배터리의 내부로부터 지나친 압력을 배출하도록 하는 압력 배출구로서의 역할을 한다. 상기 개구부(15)는 상기 단자(만약 연결장치 소켓으로서만 기능할 경우)를 부분적으로 통해또는 전체적으로 상기 단자(만약 압력 배출구를 포함하여 연결장치 소켓으로서 기능할 경우)를 통해 연장될 수 있다.
상기 단자(7 및 8) 중의 적어도 하나가 배터리의 내부 압력을 주변 대기로 배출하는 압력 배출구를 포함할 때, 상기 배출구는 상기 단자 내에서 상기 축방향의 개구부에 부착될 수 있다(도 5 참조). 가장 바람직하게는 상기 압력 배출구(16)는: 1)상기 개구부(15, 18 및 23)를 통해 주변 대기 및 상기 배터리 케이스의 내부와 가스전달되는 중공의 내부 영역부(21)를 가지는 배출구 하우징(17); 2)상기 중공의 내부 영역부(21)내에 위치하며 상기 축방향 개구부(16)를 실링할 정도의 크기를 가지며 상기 축방향 개구부(16)의 마주보는 표면부 상에 실 슬롯(20)을 가진 압력 배출 피스톤(19); 3)실의 일 표면부 거의를 삽입할 수 있도록 형성되어 삽입되지 않은 상기 실의 표면부가 노출되도록 한 상기 실 슬롯 내에 장착되는 탄성체이며, 절연성의 상기 실(미도시); 및 4)상기 압력 배출 피스톤(19)이 상기 실 슬롯(20)에 상기 실을 압축하도록 하며 상기 단자(7 및 8)내에 상기 축방향 개구부(18)를 차단하는 압축 스프링(22)을 구비한다. 참조문헌으로서 이하에 개시된 1993년 11월 2일자로 특허허여됐으며 "Electrochemical Cell Having Improved Pressure Vent"이라는 명칭을 가진 미국 특허번호 제 5,258,242호를 살펴본다. 다시 말해, 바람직하게 상기 탄성체이며 절연성의 실은 수소 불침투성의 폴리술폰 물질로 형성된다. 더하여, 배터리 캔이 제곱 인치당 기껏해서 약 150파운드에 대체로 정격되므로, 상기 배출구는 제곱 인치당 약 120파운드를 초과시에 내부 압력을 배출하여 배터리 상태를 보장하도록 한다.
상기한 바와 같이 재실링가능한 배출구 뿐만 아니라, 다른 형태의 배출구가 본 발명에 따른 배터리에 사용될 수 있다. 특히, 파열 디스크, 압력 플러그 및 격벽 배출구가 사용될 수 있다. 그러한 격벽 배출구 중의 하나가 참조문헌으로서 이하에 개시된 미국 특허번호 제 5,171,647호에 개시된다. 또한, 압력 배출구가 중공의 배터리 단자내에 위치하는 것이 바람직하나, 상기 배출구는 자신의 보호 하우징내의 상기 배터리 상부상의 어느 곳에서나 형성될 수 있거나 상기 배터리 케이스의 상부내의 개구부에 단지 부착될 수 있다.
상기 배터리 단자의 또 다른 실시예가 단자(7 및 8)를 도시한 도 6에 예시되는데, 그 단자내에 외부 배터리 납 연결장치(24)가 마찰방식에서 끼워질 수 있다. 상기 연결장치(24)는 외부 배터리 납(25)에 부착된다. 상기 납(25)은 고체 바; 금속 리본; 단일 또는 다중 스트랜드 와이어; 또는 편조된 고전류의 배터리 케이블(상기한 바와 같이)과 같은 당해 기술분야에 일반적으로 알려진 어떤 형태를 가질 수 있다. 바람직하게 상기 납 연결장치(24)는 상기 배터리 단자(7 및 8)의 상기 축방향으로 정렬된 중앙 개구부(15)내에 마찰방식으로 끼워지는 중공의 환형의 배럴 연결장치이다. 상기 납 연결장치(25)는 배럴 연결장치 웹(26)을 경유해서 상기 배터리 단자(7 및 8)내에 지지된다. 고체 형태의 배럴 연결장치가 각각 Koch 등에 특허허여된, "Radially Resilent Electrical Socket"이라는 명칭을 가진 1987년 4월 14일자의 미국 특허번호 제 4,657,335호 및 1988년 3월 29일자의 미국 특허번호 제 4,734,063호에 개시되며, 그 개시 내용은 참조문헌으로서 이하 설명된다.
원한다면, 도 5 및 6의 실시예들은 결합되어 상기 압력 배출구(16)와 상기외부 배터리 납 연결장치(24)를 통합하는 하나의 실시예로 바뀔 수 있다. 더하여, 파열 디스크(즉, 과도한 압력을 배출하는 재실링이 불가능한 수단)가 상기 압력 배출구 대신에 또는 그 외에 포함될 수 있다.
상기 주름 실링 단자 및 상부 케이스가 본 발명에 따른 바람직한 실시예이나, 다른 형태의 단자 및 그에 따른 다른 형태의 상부 케이스가 사용될 수 있다. 특히, O-링 형태의 실과 결합하는 단자상에 스크류가 사용될 수 있다. 일반적으로, 공지의 실링처리된 어떤 단자라도 만약 배터리의 동작 압력을 가질 수 있으며 배터리의 전기화학적 환경에 버틸 수 있다면 사용될 수 있다.
어떤 배터리 시스템도 본 발명에 따른 배터리, 모듈 및 팩 구조상의 개선을 통해 이점을 갖거나, 상기 양전극이 니켈 수산화물로부터 형성되며 상기 음전극은 수소 흡수 합금으로부터 형성되는 것이 바람직하다. 바람직하게, 상기 음전극 물질은 Ovonic 금속-수소화물 합금이다(즉, 1994년 6월 14일자에 출원된 미국 출원 번호 제 08/259,793호 및 1995년 4월 18일자의 미국 특허번호 제 5,407,781호(둘 다 참조문헌으로서 상세히 개시된)에 개시된 것으로서 무질서의 다중 구성요소 금속 수소화물 합금). 또한 상기 전극은 비직물의, 펠트처리된 나일론 또는 폴리프로필렌 분리기에 의해 분리되며 상기 전해액은 예를 들어 45 wt/%의 칼륨 수산화물을 함유하는 알칼리성 전해액이다. 그러한 분리기는 미국 특허번호 제 5,330,861호에 개시되며 그 내용은 참조 문헌으로서 개시된다.
시장에서 소비자 응용분야에서의 Ni-MH 배터리는 충분한 가스 재연소율을 얻기 위하여 그리고 산화 및 부식으로부터 베이스 합금을 보호하기 위해서 페이스트금속 수소화물 전극을 사용했다. 일반적으로 그러한 페이스트 전극은 활성 물질 파우더와 플라스틱 바인더와 혼합한 활성 물질 파우더 및 다른 비전도성의 친수성 물질을 포함한다. 이러한 과정으로 인해 전도성의 기판상에서 압축된 100% 전도성의 활성물질로 이루어진 본 발명의 구조와 비교했을 때 그 전극 구조의 열 전도율이 상당히 감소하는 의도되지 않은 결과를 갖게 된다.
본 발명에 따른 실링처리된 프리즘 Ni-MH 배터리에 있어서, 과충전 동안 발생된 열 증가가 열 전도성의 금속 수소화물 전극물질의 셀 번들을 이용하여 피하게 된다. 이러한 열 전도성의 금속 수소화물 전극물질은 서로 밀접하게 접촉되는 금속 수소화물 입자들을 함유한다. 과충전 중에 발생된 산소 가스는 연소되어 이런 입자의 표면상에서 수분 및 열을 발생하게 된다. 본 발명에 있어서, 이런 열은 상기 열 전도성의 음전극 물질을 따라서 전류 컬렉터, 그런 다음 상기 케이스의 표면부까지 이어진다. 상기 열 전도성의 금속 수소화물 전극물질 번들의 열 효율은 만약 상기 전극물질의 번들이 열 전도성을 가지는 배터리 케이스와 열 접촉을 갖게 된다면 더욱 증가하게 된다.
본 발명에 있어서, 바람직하게 상기 열 전도성의 금속 수소화물 전극물질은 소결을 이용해서 제조되어 상기 Ni-MH 입자가 서로 긴밀한 열접촉을 갖도록 한 미국 특허번호 제 4,765,598호; 제 4,820,481호; 제 4,915,898호; 제 5,507,761호; 및 미국 출원 번호 제 08/259,793호(이들의 내용은 참조 문헌으로서 개시됨)에 개시된 것과 같은 소결 전극이다.
본 발명에서 사용된 상기 양전극은 니켈 수소 물질로 형성된다. 상기 양전극은 미국 특허번호 제 5,344,728호(참조 문헌으로서 개시됨)에 개시된 것과 같이 소결되며, 뿐만 아니라 미국 특허번호 제 5,348,822호 및 이의 계속출원(참조 문헌으로써 개시됨)에 개시된 것과 같은 니켈 폼 또는 니켈 섬유 맷(matte)에 붙여지게 된다.
본 발명의 한 측면을 통해 실링된 Ni-MH 배터리에 있어서, 열 발생은 과충전중에 특히 상업적으로 바람직하며 신속한 충전 진행 중에 특히 높다는 점을 알 수 있게 된다. 과충전 도중 발생된 열은 상기 금속 수소화물 전극의 표면상에서의 산소 연소에 기인한다는 사실은 주목할만한 가치가 있다. 따라서, 페이스트 처리된 양전극과 결합하여 열전도성의 금속 수소화물 전극을 이용하는 것이 가능하다. 특히 이러한 바람직한 실시예는 배터리의 특정 에너지, 전반적인 성능 및 비용을 최적화하는 데 유용하다. 소결 전극의 사용에 대한 보다 상세한 내용을 알고자 한다면 참조문헌으로서 이하에 개시된 1994년 5월 5일자로 출원된 "Optimized Cell Pack For Large Sealed Nickel-Metal Hydride Batteries"이라는 명칭을 가진 미국 출원번호 제 08/238,570호를 참조한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전극 스택을 형성하는 상기 전극(4 및 5)의 각각은 자신에게 부착된 전기 연결장치 탭(27)을 가진다. 이러한 탭(27)은 배터리내에서 형성된 전류를 상기 배터리 단자(7 및 8)로 이동하는 데 사용된다. 상기 탭(37)은 그러한 부착을 위한 돌기부(28)를 구비하는 상기 단자(7 및 8)에 전기적으로 연결된다. 대안적으로, 상기 돌기부(28)는 상기 단자(7 및 8)와 전극 탭 컬렉터 콤(29)을 전기적으로 그리고 물리적으로 연결하기 위해 사용될 수 있다. 도 7에 도시한 바와 같이, 전형적으로 상기 콤(29)은 마찰, 용접 또는 납땜에 의해 상기 전극 탭(27)을 지지하는 다수 개의 직렬 형태의 전극 탭 수집 슬롯(30)을 포함하는 전기적으로 전도성을 가진 바이다. 또한, 도 7은 상기 탭 수집 콤(29)내의 배터리 단자 연결장치 개구부(31)를 도시한다. 상기 배터리 단자 용접/납땜 립(28)은 상기 개구부(31)내로 압력방식에서 끼워져서 만약 요구되거나 원하는 부분에 납땜되거나 용접된다. 상기 콤(29)은 상기 전극(4 및 5)으로부터 상기 단자(7 및 8)로 전기 에너지를 전달하기 위한 진동에 대한 저항성을 가진 연결장치를 제공한다. 상기 콤(29)은 상기 단자(7 및 8)의 저면 돌기부(28)에 상기 수집 탭(27)을 볼트 고정하는 종래의 방법에 비해서 더 높은 진동에 대한 저항성을 갖게 한다. 상기 단자(7 및 8)에 상기 탭(27)을 연결하는 종래의 방법은 또한 더 길이가 긴 탭과 케이스(더 큰 헤드 공간을 가진 케이스)를 필요로 하게 된다. 이는 배터리의 전체 중량과 크기를 늘어나게 한다. 볼트의 제거는 배터리의 헤드 공간 부분을 상당히 감소시켜 체적의 에너지 밀도의 증가를 초래하게 된다. 상기 콤(29) 및 상기 배터리 단자(7 및 8)는 구리 또는 구리 합금으로 바람직하게 형성되며, 더욱 바람직하게는 내부식성을 가지도록 코팅처리된 니켈이다. 그러나, 이들은 배터리의 화학성질과 호환될 수 있는 전기적으로 전도성을 가진 물질을 가지고 만들어질 수 있다. 상기 전극 탭 컬렉터 콤이 상기 배터리 단자에 상기 전극 탭을 부착하는 이상적인 수단이지만, 볼트, 나사, 용접 또는 납땜과 같은 다른 종래의 수단이 또한 사용될 수 있으며, 그러므로 본 발명은 상기의 바람직한 실시예에 제한되지 않는다.
상기 배터리 양전극 및 음전극(4 및 5)은 상기 배터리 케이스(2)내에 형성될수 있어 이들의 각 전기 수집 탭(27)은 상기 케이스의 상부에서 서로 반대되는 위치에서 형성된다. 즉, 모든 음전극 전기 수집 탭은 상기 배터리의 일측상에 배열되며 모든 양전극 전기 수집 탭은 상기 배터리의 반대측상에 배열되게 된다. 바람직하게 상기 배터리 양전극 및 음전극은 서로 상반되는 극성의 전극 전기 수집 탭이 위치하는 노치 코너(미도시)를 가짐으로써, 그 전극간에 단락을 막을 수 있으며 사용되지 않은 자중 전극 물질을 제거하게 된다. 한 전극의 전기 수집 탭이 꼬이게 되거나 상기 전극 분리기를 관통할 수 있고 근접하는 상반대 극성의 전극을 단락할 수 있는 날카로운 돌출부를 가지게 될 때 그러한 단락현상이 발생한다. 상기 자중 전극 물질은 비활성 상태의 전극이 상대 전극물질과 이웃하지 않음으로 인해 그 비활성 전극과 활성 물질과의 결합에 의해서 발생된다.
상기 배터리가 두께에 따라서 소정 수의 전극을 가질 수 있을지라도, 바람직하게 상기 배터리는 상기 케이스내에 교호적으로 배치된 19개의 양전극과 20개의 음전극을 구비한다. 즉, 상기 전극은 전극 스택에 걸쳐서 외측에 음전극을 위치시키면서 양전극과 음전극을 교호적으로 배치한다. 이러한 구조는 배터리가 외부의 기계적인 압축하에 있을 때 발생할 수 있는 단락을 피할 수 있도록 한다. 즉, 만약 전극 스택의 외측에 양전극과 음전극이 있게 된다면, 상기 전극은 상기 배터리가 외부의 기계적인 압축을 받게 될 때 그 금속 배터리 케이스를 통해 전기 단락 통로를 형성할 가능성이 발생하게 될 것이다.
한 세트의 상기 배터리 전극(즉, 단지 음전극 주변의 분리기 또는 단지 양전극 주변의 분리기)을 둘러싸는 전극 분리기(6)를 가지는 것이 필요하지만, 각 세트의 전극을 둘러싸는 분리기(6)를 구비하는 것이 보다 이롭다. 자료를 보면, 이중 분리기의 사용이 배터리의 자기 방출 레벨을 줄일 수 있다. 특히, 전하 보유량이 단일 분리기를 가진 배터리의 경우 이틀 후에 약 80%이나 이중 분리기를 가진 배터리의 경우 이틀 후에 약 93% 정도로 늘어났다. 상기 분리기(6)는 종래 기술에서 익히 공지된 전형적인 폴리프로필렌 분리기 물질이다. 이들은 기계 형성에 의해 야기되는 일정 방향성의 그레인 또는 슬롯을 가지며 상기 폴리프로필렌 분리기 물질의 그레인 또는 슬롯은 전극을 따라 세로로 정렬되는 것이 바람직하다. 이러한 일정 방향성은 마찰을 줄이고 이웃한 분리기의 그레인 또는 슬롯에 하나의 분리기의 그레인 또는 슬롯의 캐칭 및 부착현상이 전극의 파손을 야기할 수 있으므로 기계적인 압축 동안에 또는 전극의 팽창중에 그러한 캐칭 및 부착을 막는다.
본 발명에 따른 다른 측면에 있어서, 본 발명은, 특히 도 8내지 12에 도시된, 향상된 고전력의 배터리 모듈(두 개 이상의 전기적으로 상호연결된 셀로서 정의된, 이하에서 사용되는 "배터리 모듈" 또는 "모듈")을 포함한다. 유용하게 사용되기 위해서는, 모듈내의 배터리는 조밀하게 구성되며, 휴대가능하며 사용할 때 기계적으로 안정성을 갖추어야만 한다. 또한, 배터리 모듈(배터리 자체를 제외하고)의 구성시에 사용되는 물질은 상기 모듈에 과도한 자중 또는 상기 모듈의 에너지 밀도를 추가해서는 안된다. 또한, 배터리는 사이클링 중에 많은 양의 열을 발생하기 때문에, 그 구성 물질은 열 전도성을 띠어야만 하며 배터리로부터 먼 거리까지 열이 이동하는 것을 막지 않을 정도로 작으며 상기 배터리 및 모듈내에 열 싱크, 트랩핑 열(trapping heat)로서 작용하지 않을 정도로 작아야만 한다. 이러한 요구조건을 충족하기 위해서, 본 발명은 본 발명에 따른 보다 개선된 고전력의 배터리 모듈을 설계하게 되었다.
본 발명의 배터리 모듈(32)은: 1)다수 개의 개별 배터리(1); 2)상기 모듈(32)의 상기 개별 배터리(1)를 서로 연결하며 별개의 배터리 모듈(32)을 전기적으로 서로 연결하기 위한 수단을 제공하는 다수 개의 전기적 상호 연결장치(25); 및 3)배터리 모듈 번들링/압축 수단(이하에 개시됨)을 포함한다. 상기 배터리는 상기 모듈 번들링/압축 수단내에서 외부의 기계적인 압축(이러한 압축의 이점은 하기에 개시될 것임)하에서 서로 번들링되어 그 결과 고정되어 이송 또는 사용시에 기계적인 진동이 발생될 때 주변으로 이동되거나 움직이지 않게 된다.
소정 수의 배터리가 하나의 모듈로 번들링되지만, 일반적으로 번들당 2내지 15개의 배터리가 번들링된다. 상기 배터리 모듈(32)은 전형적으로 본 발명의 프리즘 배터리의 번들이다. 바람직하게 배터리가 번들링되어서 그 상부상에 위치한 전기 단자를 가진 각 배터리와 동일한 방식에서 모두 일정한 방향을 갖게 된다(도 8 및 12 참조). 상기 배터리는 상기 모듈내에서 일정 방향으로 향하게 되어 가장 좁은 면이 상기 모듈의 면과 마주보게 되고 이들의 가장 넓은 면(배터리의 확장시에, 뒤틀리게 됨)이 상기 모듈의 다른 배터리에 이웃하여 위치하게 된다. 이러한 배열방식은 상기 모듈내에서 단지 일방향으로만 팽창을 허용하게 되며, 이는 바람직하다.
상기 배터리(1)는 배터리 구성요소의 팽창으로 인해 외부 압력의 균형을 맞추고 상기 양전극 및 음전극간에 거리를 줄여서 전반적인 배터리 전력을 증가하기위해 각 배터리내에 상기 배터리 전극상의 별도의 내부 압축을 제공하기 위해서 최적화된 외부의 기계적인 압축하에서의 상기 모듈 번들링/압축 수단내에서 서로 번들링된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서 바람직하게 사용된 프리즘 배터리의 팽창은 단일방향으로 이루어짐으로써 그러한 팽창을 상쇄하기 위한 압축이 이러한 일방향으로 요구된다(압축 방향 화살표(33) 참조). 만약 상쇄되지 않으면, 이러한 팽창은 배터리의 외부 케이스의 만곡 및 휘어짐 현상과 전극간의 최적의 분리 공간보다 더 큰 공간을 발생시켜 결국 배터리의 전력을 감소시키게 된다. 또한, 그러한 팽창에 대한 과보상도 어느 정도 유용하다. 즉, 어느 정도까지는, 과도한 압축이 그 번들링된 배터리의 전력 출력을 실제로 증가시킨다(내부 저항을 감소시킨다). 그러나, 극도로 지나친 압축은 상기 배터리내의 전극의 파열 및 단락을 가져오게 된다. 과압축으로 인해 증가된 전력은 상기 양전극의 압축으로부터 기인한다고 보고 있으며, 이는 상기 전극 및 상기 전극 전류 컬렉터내의 활성 물질 입자간 접촉으로 인한 저항력을 감소시킴으로써 그 저항성을 약하게 한다. 또한, 상기 분리기의 압축은 상기 양전극 및 음전극간의 보다 짧은 이온 통로를 형성하도록 하여 이들간의 전해액 저항력을 감소시키는 상기 배터리의 상기 양전극 및 음전극 사이의 플레이트간 공간부를 감소시키게 한다.
도 17은 모듈 압축 대 배터리 저항간의 상관관계를 도시한다. 엔드 플레이트(하기에 기술될)를 가진 모듈은 다른 힘의 양을 이용하여 압축되며 내부 배터리 저항(전체 전력 출력 및 충전 효율과 관련됨) 및 배터리 두께가 측정된다.도 17로부터 알 수 있듯이, 약 70 및 170 psi(약 100cm2의 면적에 대해 약 1100-2600 파운드의 힘)사이에서 이들 모듈에 대해 최적의 압축 범위가 형성되며 약 50 내지 180 psi(약 100cm2의 면적에 대해 약 800 내지 2800 파운드의 힘)사이에서 이들 모듈에 대해 기능적인 범위가 형성된다. 이러한 모듈에서 사용되는 배터리에 대하여, 상기 기능적인 범위의 상한선 이상의 압축 및 하한선 이하의 압축은 배터리의 내부 저항을 증가시켜 전력을 감소시킨다는 점을 분명히 알 수 있게 된다. 상기 최적 및 기능적인 압축 범위가 크기가 다른 배터리에 대해 달리 나타나지만, 이러한 다른 크기의 배터리에 대해 저항 대 압축 관계는 적절한 셀 성능을 위한 기능 및 최적의 압축 범위가 있다는 점에서 모두 유사하다.
1)요구된 압축 실행을 할 수 있으며; 2)진동에 대해 저항성을 가진 모듈 번들링/압축 수단의 요구된 기계적 기능을 실행하며; 그리고 3)가능한 무게가 가벼운 설계/물질을 가진 구조를 찾는다는 것은 굉장히 힘든 작업이다. 본 발명은 상기 배터리 모듈이 높은 기계적 압력하에서는 상기 배터리 모듈(32)의 네 면을 따라 형성되며 상기 모듈의 4개의 코너에서 용접되어 상기 배터리 모듈의 바깥 주변에 밴드를 형성하는 금속 바(34)(바람직하게 스테인레스 스틸)를 이용하여 서로 번들링될 수 있다. 바람직하게 상기 용접된 금속 바(34)는 상기 배터리 모듈의 상부 및 하부사이 중앙에 위치하며, 여기서 팽창이 가장 왕성하게 일어난다. 상기 전극 스택을 포함하지 않은 영역내에서의 배터리 압축은 이러한 압축이 상기 전극을 압축하지 않으므로 유용하지 않게 된다. 사실상, 이러한 압축은 내부 절연기를 통해 상기 금속 캔에 대해 상기 전극의 단락을 일으키게 되므로 해가 될 수 있다.
도면에서 용이하게 알 수 없을지라도, 상기 배터리 케이스의 상부 및 하부 경계선에서 두께 및 너비 크기는 전체 두께 및 너비 크기보다 0.5 및 1.0 mm 정도 작다는 점을 주목해야만 한다. 이러한 크기의 감소는 모든 압축력이 상기 전극 플레이트 스택 및 분리기에로만 이동된다는 점을 보장한다.
상기 용접된 금속 바(34)는 상기 배터리 모듈의 상부 및 하부 사이 중앙에 위치한 둘 또는 세 개의 바 세트를 포함한다. 만약 세 개의 바 세트가 사용된다면, 제 1 세트의 바는 상기 배터리 모듈의 상부 및 하부 사이의 중간 정도에 위치하며, 그런 다음 제 2 세트의 바는 상기 제 1 세트의 바와 상기 배터리 모듈의 상부 사이에 위치하며, 제 3 세트의 바는 상기 제 1 세트의 바와 상기 배터리 모듈의 하부 사이에 위치한다. 이는 균일한 압축 분산을 가능케 하며 상기 바 세트상의 응력을 완화시켜 준다. 또한 이러한 압축 분산은 가장 작고 가장 가벼운 금속 바를 사용할 수 있도록 하여 모듈의 자중을 감소시킨다.
본 발명의 또 다른 바람직한 설계에서는 상기 모듈의 단부상에 금속 엔드 플레이트(35)를 사용한다. 상기 스테인레스 스틸 바는 상기 배터리 모듈의 면을 따라 형성되어 상기 모듈의 코너에서 용접되고 직사각형의 금속 튜빙(도 9에서 참조번호 45)으로 형성되어 상기 엔드 바를 대체하여 상기 엔드 플레이트(35)를 적절하게 지지한다. 이러한 설계는 압축력의 분산을 도와준다. 상기 엔드 플레이트(35)는 바람직하게 알루미늄으로 형성되며 상기 엔드 플레이트(35)의 평면에 수직 돌출한 리브(36)를 구비하여, 상기 플레이트(35)에 강도를 증가시키며 사용될 물질을 더욱가볍게 해준다(상기 엔드 플레이트의 일 실시예가 도 13a 및 13b에 도시되며, 다른 실시예는 1995년 5월 5일자로 출원된 미국 출원번호 제 08/238,570호에 개시되며, 이 내용은 참조문헌으로서 개시됨). 상기 엔드 플레이트(35)가 그러한 리브(36)를 구비할 때, 상기 직사각형의 금속 튜빙(45)을 수용하기 위해 그러한 리브내에 슬롯(미도시, 그러나 도 9를 참조)이 형성될 필요가 있다. 바람직하게 상기 엔드 플레이트(35)는 열 절연 폴리머 층 또는 폴리머 폼과 같은 열 절연 물질에 의해 상기 모듈(32)내에 번들링된 배터리로부터 열분리 또는 열 절연될 수 있다. 이러한 절연은 상기 엔드 플레이트(35)의 상기 리브(36)의 냉각 핀 작용에 의해 일어날 수 있는 모듈내에 불규칙한 배터리 온도 분산을 막을 수 있다. 그러나, 상기 리브(36)는 만약 필요하다면 이웃한 배터리(1)에 상기 엔드 플레이트(35)를 열 싱크에 의해 상기 모듈(32)내에 배터리(1)에 대해 열 방출을 증가하도록 한다.
상기 각각의 모듈(32)은 다른 모듈(32) 및 배터리 팩 케이스로부터 얼마간 떨어져서 상기 모듈(32)을 지지하는 모듈 스페이서(37)(도 11 및 12 참조)를 별도로 포함한다. 이러한 모듈 스페이서(37)는 상기 모듈(32)의 상부 및 하부상에 형성되어 상기 모듈(32)내의 상기 배터리(1)의 코너 및 상기 배터리(1)의 상기 전기 상호연결장치(25) 및 단자(7 및 8)에 대한 보호 기능을 한다. 더욱 중요하게는, 상기 스페이서(37)의 각 면상의 탭(38)은 상기 모듈(32)을 최적의 거리만큼 떨어지도록 지지한다. 바람직하게 상기 스페이서(37)는 내구성의 폴리머와 같은 경량이며 전기적으로 비전도성 물질로 형성된다. 또한, 상기 스페이서가 요구된 기능을 실행하기 위해서 가능한 작고 가벼운 물질을 포함하는 것이 전체 에너지 밀도에서 중요하다.
본 발명에 따른 배터리 및 모듈은 그들간에 낮은 저항 통로를 제공하는 전도성의 납(25)(도 8 및 9 참조)에 의해 바람직하게 전기적으로 상호연결된다. 납 저항 및 접촉성 저항을 포함한 전체 저항은 바람직하게 0.1 mohm을 초과해서는 안된다. 상기 납은 나사, 볼트 또는 바람직하게 상기한 바 있는 소켓 배럴 연결장치(24)에 의해 상기 단자에 고정된다. 본 발명에 따른 상기 배터리 모듈(32)의 상기 전기적 상호연결장치(25)는 바람직하게는 편조 케이블 상호연결장치(도 14 참조)이며, 이는 높은 열 방출 및 모듈의 디자인/구조에 대한 유연성을 제공한다. 즉, 상기 편조 케이블 상호연결장치(25)는 본 발명의 상기 배터리 모듈내에서 두 가지 중요한 기능을 수행한다(상기 배터리로부터 전기 에너지를 이동하는 일반적인 기능외에). 첫째, 상기 편조 케이블(25)은 유연성을 가짐으로써 개별 배터리(1)의 팽창 및 수축을 도모하여 상기 모듈(32)내의 개별 배터리(1)의 상기 단자(7 및 8)사이의 거리 변화를 가져오게 한다. 둘째로, 상기 편조 케이블 상호연결장치(25)는 고체 케이블 또는 바보다 훨씬 높은 표면적을 갖는다. 이 점은 전기적인 상호연결장치가 상기 배터리의 내부에서 시작하여 상기 전극(4 및 5), 상기 전극 탭(27), 상기 배터리 단자(7)를 통해, 상기 전기적인 상호연결장치(25)를 통과하는 열 통로의 일부이기 때문에 본 발명에 따른 배터리, 모듈 및 팩의 열 관리에 있어서 중요하다. 그러므로, 상기 전기 상호연결장치(25)의 표면적이 높을수록, 상기 배터리(1)의 열 방출이 증가되며 그 열 관리도 더욱 양호하게 된다. 바람직하게 상기 편조 케이블 전기 상호연결장치(25)는 내부식성을 가지기 위해 니켈로 바람직하게 코팅처리된 구리 또는 구리 합금으로 형성된다.
본 발명의 또 다른 측면(도 15에 도시됨)은 유체 냉각 배터리 팩 시스템(이하에서 사용된 것으로서, 용어 "배터리 팩" 또는 "팩"은 두 개 이상의 전기적으로 상호연결된 배터리 모듈을 나타낸다.)의 기계적인 설계에 있다. 또한, 배터리의 사이클링 동안에, 그 배터리는 많은 양의 여열을 발생한다는 점을 주목해야만 한다. 이는 특히 배터리의 충전 중에 해당한다. 이러한 여열은 상기 배터리 시스템에 해가 될 수도 있고 심지어는 마비상태를 가져올 수도 있다. 배터리 시스템이 아무런 열 관리를 하지 않거나 부적절한 열 관리를 할 때 겪을 수 있는 몇 가지 부정적인 특징은: 1)낮은 용량 및 전력; 2)자기 방전 증가; 3)배터리 및 모듈간의 온도의 불균형, 그로 인한 배터리 오용; 및 4)배터리 사이클 수명의 감소이다. 그러므로, 최적의 상태에서 상기 배터리 팩 시스템을 사용하기 위해서는 적절한 열 관리가 필요하다는 것은 명백하다.
배터리 팩 시스템의 열 관리에서 고려되어야 할 몇 가지 인자는: 1)모든 배터리 및 모듈은 배터리에 영구적인 손상을 막기 위해서 65℃보다 더 낮게 유지되어야만 한다; 2)모든 배터리 및 모듈은 배터리의 정격 성능의 적어도 80%를 얻기 위해서 55℃보다 더 낮게 유지되어야만 한다; 3)모든 배터리 및 모듈은 최대 사이클 수명을 가지기 위해서 45℃보다 더 낮게 유지되어야만 한다; 및 4)개별적인 배터리 및 배터리 모듈간의 온도차는 최적의 성능구현을 위해 8℃ 이하에서 유지되어야만 한다. 본 발명에 있어서의 특징은 배터리간의 온도차를 약 2℃ 이하로 제어할 수 있다는 데 있다.
상기 배터리 팩 시스템의 열 관리는 적절한 냉각효과를 제공하여 아주 다양한 동작여건에서 Ni-MH 배터리의 최적 성능 및 내구성을 보장해야만 한다. 미국에서의 대기 온도는 49개 주에서 적어도 -30℃에서 43℃까지의 넓은 범위에 해당한다. 약 -1℃에서 38℃까지의 최적의 배터리 성능 범위에서 배터리를 유지하는 한편, 이러한 대기 온도 범위에서 상기 배터리 팩의 동작 유용성을 획득하는 것이 필요하다.
니켈 금속 수소화물 배터리는 니켈 양전극에서 산소 발생에 의해 발생하는 문제로 인해 43℃ 이상의 매우 높은 온도에서는 충전 효율의 저하를 보인다. 이러한 비효율성을 피하기 위해서 충전중의 배터리 온도는 이상적으로 43℃ 이하에서 유지되어야만 한다. 또한 니켈 금속 수소화물 배터리는 니켈 음전극에서의 성능 저하로 인해 -1℃ 이하의 온도에서는 전력 성능의 저하를 보인다. 이러한 전력의 감소를 막기 위해서 배터리 온도는 방전중에 약 -1℃ 이상에서 유지되어야만 한다.
상기에서 언급한 바와 같이, 고온 및 저온에서의 성능 저하 현상 이외에, 충전중에 모듈내의 배터리간의 온도차로 인해 역효과가 발생할 수 있다. 온도차가 클 경우에는 배터리의 충전 효율에 있어서 불균형이 발생되며, 이 때, 배터리는 번갈아 충전 상태에서 불균형을 일으켜서 용량의 감소를 가져오며 잠재적으로는 심한 과충전 및 과방전 현상을 빈번히 발생하게 한다. 이러한 문제를 피하기 위해서, 상기 배터리간의 온도차는 8℃ 이하로, 바람직하게는 5℃ 이하로 제어되어야만 한다.
도 18은 본 발명에 따른 니켈 금속 수소화물 배터리의 Wh/Kg으로 측정된 배터리 비에너지(specific energy) 및 배터리 온도간의 관계를 도시한다. 도시한 바와 같이, 배터리의 특정 에너지는 약 20℃ 정도를 넘어서 하강하기 시작하여 약 40℃ 이상에서 갑자기 떨어진다. 도 19는 본 발명에 따른 니켈 금속 수소화물 배터리의 W/Kg으로 측정된 배터리 비전력(specific power) 및 배터리 온도간의 관계를 도시한다. 도시한 바와 같이, 배터리의 비전력은 온도와 함께 상승하나 약 40℃ 이상에서 안정상태로 된다.
유체 냉각 배터리 팩 시스템 설계의 또 다른 인자는 기계적인 항목부분이다. 예를 들어, 배터리 및 모듈 패킹 밀도는 가능한 조밀하여 최종 생산에서의 공간을 대비하게 된다. 별도로, 열 관리를 위해 상기 배터리 팩 시스템에 추가된 소정의 물질은 배터리 자체의 전기화학적 용량에 직접적으로 영향을 미치지 않으므로 상기 배터리 시스템의 전체 에너지 밀도를 궁극적으로 감소시킨다. 이러한 요구를 충족하기 위해서, 본 발명자들은 본 발명에 따른 유체 냉각 배터리 팩 시스템을 설계하게 되었다.
본 발명의 가장 기본적인 형태(도 15에 도시된 실시예)에 있어서, 상기 유체 냉각 배터리 팩 시스템은: 1)적어도 하나의 냉각제 입구(41) 및 적어도 하나의 냉각제 출구(42)를 가지는 배터리 팩 케이스(40); 2)상기 케이스(40)내에 위치하여 배터리 모듈(32)이 상기 케이스 벽으로부터 이격되며 또한 상기 케이스(40)내의 다른 배터리 모듈(32)로부터 이격되어 그 번들링된 배터리의 적어도 하나의 표면을 따라, 그 너비가 상기 배터리로부터 상기 냉각제까지 대류이며 전도성을 갖고 방사성의 열 이동 장치를 통해 최대의 열 이동을 가능하게 하는 최대로 효율적인 크기를 가지는 냉각제 유동 채널(43)을 형성하도록 하는 적어도 하나의 배터리 모듈(32); 및 3)상기 냉각제가 상기 케이스(40)의 상기 냉각제 입구 수단(41)으로유입되도록 하여 상기 냉각제 유동 채널(43)을 통해 흘러서 상기 케이스(40)의 상기 냉각제 출구 수단(42)을 통해 배출되도록 하는 적어도 하나의 냉각제 이송 수단(44)을 구비한다. 바람직하게, 이상적으로, 상기 배터리 팩 시스템(39)은 상기 케이스내에 2차원 또는 3차원 매트릭스 구조로 배열되는 다수 개의 배터리 모듈(32), 일반적으로 2 내지 100개의 모듈을 가진다. 그러한 매트릭스 구조는 냉각제가 상기 배터리 모듈(32) 각각의 적어도 하나의 표면을 지나서 흐르도록 하면서 높은 패킹 밀도를 가지도록 한다.
바람직하게 상기 배터리 팩 케이스(40)는 전기적 절연 물질로 형성된다. 더욱 바람직하게 상기 케이스(40)는 경량이며, 내구성이 있고, 전기적으로 절연되는 폴리머 물질로 형성된다. 이러한 물질은 전기적으로 절연되어 만약 상기 케이스가 배터리 및 모듈과 접촉했을지라도 단락되지 않도록 해야 한다. 또한, 이 물질은 전체 팩 에너지 밀도를 증가시키기 위해 경량성을 가져야만 한다. 마지막으로, 이 물질은 내구성을 가져서 배터리 팩의 반복되는 사용에도 견딜 수 있어야만 한다. 상기 배터리 팩 케이스(40)는 특정 유체 포트이며 바람직하게는 상기 배터리 팩 케이스(40)내의 단순한 구멍이 되며 이를 통해 냉각공기를 유입하고 배출하는 하나 또는 그 이상의 냉각제 입구(41) 및 출구(42)를 포함한다.
상기 유체 냉각 배터리 팩 시스템(39)은 가스 또는 액체인 전기적으로 절연되는 냉각제를 사용하도록 설계된다. 바람직하게 상기 냉각제는 가스이며 더욱 바람직하게는 상기 냉각제는 공기가 된다. 상기 냉각제로서 공기가 사용될 때, 바람직하게는 상기 냉각제 이송 수단(44)은 강제 공기 송풍기이며, 더욱 바람직하게는상기 팩에서 셀 당 1 내지 3 SCFM 공기의 공기 유량을 제공하는 송풍기이다.
상기 송풍기는 상기 배터리 팩내로 연속적으로 냉각 공기를 제공할 필요는 없으나, 최적의 상태에서 배터리 팩 온도를 유지하기 위해서는 제어될 필요가 있다. 팬을 온/오프하는 팬 제어, 바람직하게는 팬의 속도를 제어하기 위한 팬 제어는 충전, 구동 및 휴지 대기(idle stand) 중에 효율적인 냉각을 위해 필요하다. 통상적으로, 냉각은 충전중에 가장 중요하나, 구동중에도 또한 필요하다. 팬 속도는 배터리 팩 및 대기 사이의 온도차를 기준하여 제어되며, 뿐만 아니라 배터리가 냉각된 상태에서 배터리를 냉각하지 않기 위해서 또는 배터리가 이상적인 온도 범위중에서 상한치에 가까웠을 때 여분의 냉각을 제공하기 위해서 절대 온도를 기준하여 제어된다. 니켈 금속 수소화물 배터리에서, 팬은 충전 후에 휴지 시간에 또한 필요하다. 간헐적인 냉각은 이러한 상태에서 효율적인 냉각을 제공하기 위해 필요하며 팬의 소모 전력 이하로 자기 방전 비율을 유지함으로써 순수 에너지 절감을 가져온다. 통상적인 결과(도 16)가 최초의 충전 후 냉각 후에 2.4 시간에서의 팬을 보여준다. 전형적으로 정상적인 팬 제어 과정(하기에 개시될)은 이러한 시나리오에서 잘 이루어진다. 효율적인 팬의 사용은 시간내내 팬 전력의 충분한 소모없이 필요할 때 효율적인 냉각을 실행하도록 하여 에너지 효율을 높게 유지하도록 한다. 더욱 효율적인 팬의 사용은 팩의 성능 및 수명의 최적화를 가능케 하는 최적의 팩 온도를 유지한다는 점에서 이롭다.
만약 배터리의 최대 온도가 30℃ 이상이며 대기 온도가 그 배터리 최대 온도보다 낮을(바람직하게 5℃ 이상 낮은) 경우, 팬 제어 과정의 일 예를 보면 팬은 구동하여 더욱 냉각된 공기를 상기 냉각 채널로 순환시킨다.
또 다른 유용한 팬 제어 알고리즘은 소정 기준에 따라서 다양한 비율에서 팬을 동작시킨다. 이러한 기준은 1)배터리 최대 온도; 2)대기 온도; 3)현재 배터리 사용(즉, 충전, 충전 대기, 고온, 구동중에 높은 방전 깊이(dod), 스탠딩 등);4) 냉각 팬을 파워 온하는 보조 배터리의 전압을 포함한다. 상기 알고리즘은 표 2에 도시한 바와 같다.
표 2
IF(Tbatmax >= 25℃THENPWM = Minspeed + 5*DeltaPWM = MIN(PWM, Maxspeed)ELSE PWM = MinspeedIF PWM < 30 THEN PWM = 0IF (Vauxbat < 13) and (PWM >= 30)THEN PWM = 30
표 2의 알고리즘에서:
"Tbatmax"는 최대 모듈 온도이며;
"Tamb"는 주변 대기 온도이며;
"Delta"는 Tbatmax-Tamb('0'으로 간주되는 음의 값을 가짐)
"PWM"는 팬 펄스 폭 변조(PWM)율 제어 신호(0=OFF, 100=FULL POWER)이며;
"Vauxbat"는 보조 팬 배터리 전압이며;
"Minspeed"는 최소 팬 속도, 만약 충전, 충전 대기, 고온, 구동중의 높은 방전 깊이(dod)일 경우 30%의 PWM; 또는 0%의 PWM; 및
"Maxspeed"는 최대 팬 속도, 만약 충전 또는 충전 대기의 경우, 100%의 PWM, 또는 65%의 PWM.
상기 냉각 유체의 유량 및 압력은 상기 팩에 충분한 열 용량 및 열 이동을 제공하기 위해서 충분할 필요가 있다. 상기 유체의 유량은 최대 예상된 지속적인 열 발생율에서 열의 안정 상태의 제거를 위해 충분하도록 요구되어 허용 온도 상승을 일으키게 된다. 일반적인 Ni-MH 배터리 팩에서, 과충전(최대 열 발생)중에 발생된 셀당 5 내지 10 W를 가지며, 셀당 1 내지 3 CFM 공기의 유량이 단순히 공기의 열 용량을 기준하여 적절한 냉각을 제공하기 위해 필요하며, 이는 허용 온도 상승을 이루게 된다. 복사 송풍기 형태의 팬이 열 관리를 위한 가장 효과적인 기류를 제공하기 위해 사용된다. 이는 축 방향의 팬에 의해 발생되는 공기 압력과 비교했을 때 이들 팬에 의해 발생되는 공기 압력이 더 높기 때문이다. 일반적으로, 적어도 0.5"의 물의 압력 강하가 팩에 설치된 팬의 동작점에서 요구된다. 높은 유량에서 이러한 압력 강하를 발생하기 위해서는 일반적으로 1.5" 내지 3"의 물의 팬의 정적 압력 용량을 필요로 하게 된다.
배터리 팩이 뜨거울 때 이를 냉각하기 위해 팬을 사용하는 것 이외에, 팬은 이런 배터리 팩이 너무 차가울 때 이를 가열할 수 있다. 즉, 만약 배터리 팩이 최소 최적온도 이하에 있게 되고 대기가 그런 배터리 팩보다 더 따뜻하다면, 팬은 가동되어 따뜻한 대기를 배터리 팩내로 유입한다. 그런 다음, 그 따뜻한 공기의 열 에너지는 배터리 팩으로 이동하여 적어도 최적의 온도 범위의 하한선까지 상기 배터리 팩을 따뜻하게 한다.
하나 또는 그 이상의 냉각제 이송 수단(44)이 상기 냉각제 입구(41)에 형성되어 상기 냉각제 유동 채널(43)을 통해 그리고 상기 냉각제 출구(42)로부터 상기 배터리 팩 케이스(40)내로 신선한 냉각제를 유입할 수 있다. 또는, 하나 또는 그 이상의 냉각제 이송 수단(44)이 상기 냉각제 출구(42)에 형성되어 상기 배터리 팩 케이스(40)로부터 가열된 냉각제를 유출하여, 신선한 냉각제가 상기 냉각제 입구(41)를 경유하여 상기 배터리 팩 케이스(40)로 유입하도록 하며 상기 냉각제 유동 채널(43)을 통해 유동하도록 한다.
상기 냉각제는 상기 가장 긴 크기의 냉각제 유동 채널(43)에 평행하게 흐르게 되거나(즉, 배터리 모듈의 길이 방향으로), 또는 상기 가장 긴 크기의 냉각제 유동 채널(43)에 수직인 방향으로 흐르게 된다(즉, 배터리 모듈의 높이 방향으로). 상기 냉각제는 상기 냉각 채널(43)을 통해 흐름에 따라 상기 배터리로부터 여열을 회수하기 때문에 상기 냉각제는 가열되게 된다는 점을 유의해야만 한다. 그러므로, 상기 유량이 상기 가장 긴 크기의 냉각제 유동 채널(43)에 수직하게 흐르는 것이 바람직하다. 이는 상기 냉각제가 가열됨에 따라, 상기 배터리와 냉각제간의 온도 차가 줄어들어 그 결과 냉각율 또한 감소하기 때문이다. 그래서, 전체 열 방출이 저하되게 된다. 이러한 현상을 줄이기 위해서, 냉각제 유동 통로는 즉, 배터리의 높이를 따라, 그 두 개 중에서 더 짧아야만 한다.
공기가 가장 바람직한 냉각제이지만(이는 쉽게 이용가능하며 케이스내에 그리고 케이스 밖으로 이송되기 용이하므로), 다른 가스 및 액체가 사용될 수 있다.특히, 프레온 또는 에틸렌글리콜, 뿐만 아니라 다른 상업적으로 이용가능한 플루오르카본 및 비플루오르카본 염기 물질과 같은 액체 냉각제가 사용될 수 있다. 이런 가스 및 액체가 냉각제로 사용될 때, 바람직하게 상기 냉각제 이송 수단(44)은 바람직하게 펌프가 된다. 공기 이외의 다른 냉각제를 사용할 때에는, 상기 냉각제 이송 수단은 냉각제 보유기(미도시)로 가열된 냉각제를 재순환하는 상기 냉각제 출구(42)에 부착된 냉각제 복귀 라인을 바람직하게 구비한다. 상기 냉각제 복귀 라인으로부터 상기 냉각제가 열을 추출하기 위해 냉각제 열 교환기(미도시)로 이동되어 최종적으로 상기 배터리 팩(39)의 재냉각 사용을 위해 상기 냉각제 펌프(44)로 재전달된다.
상기 최적의 냉각 유동 채널 폭은 여러 가지 많은 인자를 갖는다. 이들 인자중의 몇 가지 예는 배터리 수, 배터리의 에너지 밀도 및 용량, 배터리 충전 및 방전율, 상기 냉각제의 방향, 속도 및 용적 유량, 상기 냉각제의 열 용량 등이다. 이러한 인자와는 별도로, 모듈 사이를 통과할 때의 냉각 유체량을 방해하거나 지연하는 상기 냉각 채널(43)을 설계하는 것이 중요하다는 점을 알게 됐다. 이상적으로, 유동의 지연은 셀 냉각 표면과 마찰로 인한 것이 우세적이며, 이는 유동량의 5 내지 30%의 유동 감소를 가져온다. 모듈간의 공간이 상기 냉각 유체 처리시스템에서 주요한 유동 제약을 형성할 때, 이는 모든 모듈간의 공간에 균일하며 대체로 동일한 냉각 유체 유동량을 발생시켜 동일한 냉각을 가져오며, 상기 모듈간의 불균일한 유동을 발생시킬 수 있는 다른 유동 제약(입구 또는 출구와 같은)의 영향을 감소시키게 된다. 더욱이, 각 셀의 동일한 영역이 유사한 속도 및 온도를 가지고 냉각 유체에 노출되게 된다.
배터리 모듈은 셀 표면과 냉각 유체간의 높은 열 이동계수를 얻기 위해서 냉각 유체의 속도를 최소화함으로써 배터리 셀의 효율적인 냉각을 위해 형성된다. 이는 상기 냉각 유체 유동량이 감소하기 시작하나 유체 속도는 여전히 증가할 정도까지 모듈간의 공간을 좁힘으로써 달성된다. 또한 그 좁아진 공간은 상기 냉각 유체에서 열 이동을 위해 더욱 짧아진 거리가 셀을 유체 온도 변화 정도까지 상승시킴에 따라 열 이동 계수를 높이도록 도와준다.
최적의 냉각제 유동 채널의 너비는 유동 방향의 유동 통로의 길이뿐만 아니라 상기 냉각제 유동에 수직 평면상의 냉각제 유동 채널의 면적에 의해 결정된다. 최적의 공간은 팬 특성에 다소 미약하게 의존한다. 공기에 대한 상기 냉각제 유동 채널(43)의 너비는 약 0.3-12 mm 사이이며, 바람직하게는 1-9 mm 사이이며, 더욱 바람직하게는 3-8 mm사이이다. 7인치 높이의 모듈을 지나는 수직 공기 유동에 대해, 최적의 평균 모듈 간격(상기 냉각제 유동 채널(43)의 너비)은 약 3-4 mm이다(105 mm 센터라인 간격). 전체 64인치 거리의 열에서 16인치 길이의 4개의 모듈을 지나는 길이방향의 수평 공기 유동에 대해, 최적의 평균 모듈 간격(상기 냉각제 유동 채널(43)의 너비)은 약 7-8 mm이다(109 mm 센터라인 간격). 이러한 열의 단부에서의 다소 가까운 모듈간의 간격은 높은 공기유량을 발생시킬 것이며 결국 높은 열전달 계수를 가져다줌으로써 하향하는 높은 공기 온도를 보상하게 된다. 상기 수평 냉각 유동 통로를 따른 이차적인 입구 또는 일련의 입구는 추가되는 냉각제를 유입하여 배터리 셀 및 냉각제간의 열 이동을 전체 유동 통로를 따라 보다 균일하게 하는 수단으로 또한 사용될 수 있다.
용어 "센터라인 간격"은 냉각제 유동 채널 너비와 유사한 의미로 때때로 사용될 수 있다는 점을 주의해야 한다. 이런 이유는 상기 인용된 냉각제 유동 채널의 너비는 평균 숫자이기 때문이다. 그러한 평균 측정의 이유는 상기 유동 채널(43)을 형성하는 상기 배터리 모듈의 면들이 균일하게 평면적이지 않고, 그 밴드는 상기 모듈을 서로 번들링하며, 배터리 자체의 면들은 실제 채널의 너비가 그 길이를 따라 달라지도록 하기 때문이다. 그러므로, 다른 크기의 배터리에 대해서 변하는 개별적인 모듈의 중심 사이의 간격에 대한 너비, 즉, 센터라인 너비를 설명하는 것이 때때로 편할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 사용되는 실제 배터리 크기와 관계없이 배터리 모듈에 적용되는 평균 채널 너비를 나타내는 것이 일반적으로 보다 유용하다.
도 20 및 21은 상기 냉각제 유동 채널의 너비(즉, 센터라인 간격) 대 상기 냉각제 용적 유량, 수직 및 수평 냉각제 유동에 대한 최대 냉각제 속도비율 및 최대 열이송 비율 사이의 관계를 각각 보인 평면도이다. 이들 그래프에서는 공기를 냉각제로 사용했으며 급격한 유동 및 30%의 외부 제약을 가정한다. 도시한 바와 같이, 냉각제의 유동방향에 따라 달라지는 최적의 간격이 명백히 존재한다. ±10%의 최적의 열전달 범위 내에서 동작하는 것이 가장 효율적이나, 만약 필요하다면, 상기 시스템은 상기 냉각제의 용적 유량을 증가시킴으로써 이 범위를 벗어나서 동작할 수 있다. 상기 도면에서, 사각형 부호(■)에 의해 표시된 곡선은 상기 냉각제(공기)의 용적 유량을 나타내며 좌측 좌표로부터 읽을 수 있으며, 반면에 삼각형 부호(▲) 및 다이아몬드 부호(◆)에 의해 표시된 곡선은 최대 열전달율 및 최대 냉각제 유동 속도비율을 각각 나타내며, 우측 좌표로부터 읽을 수 있다.
상기 팩 케이스내에 모듈의 적절한 간격을 유지하며 상기 모듈간의 전기적인 분리를 가지도록 하기 위해서, 각각의 모듈은 다른 모듈(32) 및 상기 배터리 팩 케이스(40)로부터 최적의 거리에서 상기 모듈(32)을 지지하여 상기 냉각제 유동 채널(43)을 형성하는 냉각제 유동 채널 스페이서(37)를 구비하게 된다. 상기한 바와 같이, 상기 냉각제 유동 채널 스페이서(37)는 바람직하게 상기 배터리 모듈(32)의 상부 및 하부에 형성되어, 상기 모듈(32)의 코너, 상기 배터리 단자(7 및 8) 및 상기 전기적 상호연결장치(25)에 대한 보호 기능을 하게 된다. 보다 중요하게는, 상기 스페이서(37)의 각 면상의 탭은 상기 모듈을 최적의 간격을 두고 떨어지도록 지지한다. 바람직하게 상기 스페이서(37)는 내구성을 가진 폴리머와 같은 경량이며 전기적으로 비전도성인 물질로 형성된다. 또한, 상기 스페이서가 요구된 기능을 실행하기 위해서 가능한 작고 가벼운 물질을 포함하는 것이 전체 팩 에너지 밀도에서 중요하다.
상기한 바와 같이, 상기한 Ni-MH 배터리는 특정의 온도 범위에서 가장 잘 동작한다. 상기한 냉각제 시스템이 본 발명에 따른 상기 배터리 팩 시스템을 최적의 온도범위 중 고온 범위보다 낮은 동작 온도에서 유지하도록 할 수 있으나(만약 대기 온도가 배터리보다 따뜻하거나 최적 온도범위의 저온범위보다 따뜻한 경우, 때때로 그러한 최적 온도범위의 저온범위 이상에서 동작하도록 하기 위하여), 여전히 상기 배터리 팩 시스템이 최적의 온도범위의 하한선보다 더 차가워질 때가 있다.그러므로, 상기 배터리팩 시스템내에 몇몇 배터리 및 모듈 또는 모든 배터리 및 모듈에 대하여 가변적인 열 절연을 여하튼 제공할 필요가 있게 된다.
상기한 바의 냉각 시스템 이외에, 본 발명에 따른 상기 배터리 팩 시스템을 열 제어하는 또 다른 방법이 열 의존 충전방식의 사용이다. 열 의존 충전방식은 여러 가지 대기 온도상황하에서 효율적인 충전을 가능하게 해 준다. 한 방법으로서, 전류가 특정값까지 강하되어 특정 전하 입력이 정전류 상태에서 인가될 때까지 지지되는 연속적으로 업데이트된 온도 의존 전압 리드에 배터리를 충전하는 것이다. 또 다른 방법은 정전류 또는 전력상태에서 인가되는 특정 전하 입력에 앞선 온도 보상 전압 한계로의 일련의 감소되는 정전류 또는 정전력 과정들을 포함한다. 또 다른 방법은 정전류 또는 전력상태에서 인가되는 특정 전하 입력에 앞선 온도 상승의 최대 측정율에 의해 종결되는 일련의 감소되는 정전류 또는 정전력 과정들을 포함한다. 온도 의존 전압 리드는 넓은 범위의 온도에 대해 균일한 용량을 보장하며 최소 온도상승을 가지고서 충전이 이루어짐을 보장한다. 예를 들어, 고정 전압 충전 리드는 온도 보상 충전이 유사한 조건에서 3℃의 온도상승에서 이루어지는 경우에 8℃의 온도상승을 가져온다. 충전 온도의 절대 한계온도(60℃)는 배터리가 충전기 및 냉각 시스템이 동시에 고장난 경우 발생할 수 있는 심각한 과열을 피하도록 하기 위해서 필요하다. 팩 또는 모듈 기준에서 시간(dV/dt)에 관한 전압의 변화율의 검출은 dV/dt의 음의 값이 충전 터미네이터로서 작용하도록 한다. 이는 지나친 과충전을 막을 수 있으며 별도의 안전 한계값으로서 작용할 뿐만 아니라 배터리의 동작효율을 향상시킬 수 있다.
온도 의존형 충전 방법의 일 예가 표 3에 제시된다.
표 3
1) 전압 리드*4에 이를 때까지 최대 전력상태에서 충전하라.*1,2,32) 30% 전류를 감소하고 전압 리드*4에 이를 때까지 충전하라.*1,2,33) 전류 ≤ 5A가 될 때까지 상기 제 2) 단계를 반복하라.*1,2,34) 만약 재충전 암페어시가 5Ah보다 클 때까지 1시간 동안 5A의 정전류 충전상 태에서 충전을 완료하라.*1,2,35) 2시간마다 또는 X 시간마다 충전을 재개시하라(X에 대한 하기 식 참조).*5또는 만약 배터리 모듈 전압이 15V 이하로 떨어진다면 충전을 재개시하거나, 만약 배터리 전압이 오프셋(예를 들어, 모듈당 0.5V)을 뺀 상기 전압 리드 이하로 떨어진다면 충전을 재개시하거나, 상기 오프셋을 뺀 전압 리드에 배터리를 부동시켜라. 상기한 모든 경우에서, 최대 배터리 온도는 충전 재개시 전에 50C 이하가 되어야 한다.*1) 만약 최대 배터리 온도가 40℃ 이상이면 전류가 10A로 제한되어야만 한다.*2) 만약 최대 배터리 온도가 60℃ 이상이면 충전을 중단하며, -만약 최대 배터리 온도가 50℃ 이하로 강하된다면 충전을 재개시한다.*3) 초기 충전을 위해서 최대 95Ah까지 전체 충전을 제한하며 재개시를 위해서 최대 30Ah까지 제한한다.*4) 전압 리드 = (16.65V - [0.024V/C]*최대 배터리 온도(℃))*모듈 번호*5)예를 들어, X = 20*(1-충전 최소허용 상태(%))2*(60-최대 배터리 온도)
도 22 및 23은 "온도보상 전압 리드" 충전 방식이 어떻게 배터리 팩 시스템의 충전 동안 전압 상승을 감소시키는지를 보여준다. 이들 도면은 팩의 충전 및 방전중에 배터리 팩의 온도 상승 및 팩 전압 대 시간과의 관계를 도시한다. 도 22(시간보상 전압 리드)에서, 상부 곡선은 팩 전압을 나타내며 하부 곡선은 대기보다 높은 팩 온도를 나타낸다. 도 22는 전압 곡선의 최고점으로 표시된 충전 사이클의 말단에서, 배터리 팩이 대기보다 단지 3℃ 정도 높은 온도 상승을 갖게 된다. 반면에, 도 23은 "고정 전압 리드" 충전 방식을 적용시에 대기에 비해 8℃ 정도 높은온도 상승을 보여준다. 여기에서, 점선 곡선은 팩 전압을 나타내며 실선 곡선은 팩 온도를 나타낸다. 그러므로, 종래의 충전에서 발생된 열의 대부분이 "온도보상 전압 리드" 충전 방식에 의해 제거된다는 점을 이해할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 배터리 동작 온도범위 상에서 상한선을 가지는 것 이외에 또한 하한선을 가지게 된다. 또한 상기한 바와 같이, 대기 온도가 배터리 온도보다 높을 경우, "냉각 시스템"은 가열 시스템으로서 사용될 수 있다. 그러나, 만약 배터리 팩 온도가 낮다면, 대기 온도가 또한 낮을 것이며 바람직하게는 배터리 팩 온도보다 더 낮게 되기가 훨씬 쉽다. 그러므로, 배터리 팩 시스템의 동작중에 대기로부터 배터리를 열 절연하는 것이 이로울 때가 있을 것이다. 그러나, 열 절연이 항상 일정하게 필요한 것은 아닐 것이며 매우 짧은 시간에도 급격히 변할 수도 있다. 따라서, 열 절연의 필요성은 가변성을 가지게 될 것이다.
이러한 가변적인 열 절연 요구를 맞추기 위해서, 본 발명은 가변 열 절연을 제공하는 수단을 포함한다. 상기 본 발명에 따른 가변 열 절연 수단은 개개의 배터리, 배터리 모듈 및 배터리 팩 시스템에서 똑같이 사용될 수 있다.
가장 기본적으로, 상기 수단은 상기 대기 온도상태에 가장 직접적으로 노출된 재충전가능한 배터리 시스템의 적어도 한 부분에 가변 열 절연을 제공하여 가변되는 대기상태에서 원하는 동작 범위내에서 상기 재충전가능한 배터리 시스템의 온도를 유지하도록 한다.
이러한 가변 열 절연을 제공하기 위해, 본 발명은 온도 센서 수단, 압축가능한 열 절연 수단 및 상기 열 센서에 의해 검출된 온도에 응답하여 상기 압축가능한 열 절연 수단을 압축하기 위한 수단을 결합한다. 상기 온도센서는 만약 대기가 차가우면, 열 절연이 배터리, 모듈 또는 배터리 팩 시스템의 추위로 인해 영향을 받는 범위를 절연하기 위해 요구되는 영역에 있음을 나타낸다. 대기가 따뜻할 경우, 상기 온도 센서는 열 절연이 부분적으로 또는 전체적으로 이루어지도록 하여 상기 압축가능한 절연에 의해 상기 배터리 시스템에 제공된 절연 인자가 부분적으로 또는 전체적으로 제거되도록 한다.
상기 열 센서는 압축가능한 폼 또는 섬유 절연체상에 압축을 가변적으로 증가 또는 감소시키는 피스톤 장치에 정보를 제공하는 전자 센서이다. 또는, (및 더욱 바람직하게는 전기 에너지 활용 및 기계적인 신뢰성 측면에서 볼 때), 상기 센서 및 압축 장치는 대기 열 상태에 직접 반응하여 열 절연체상에 가변 압축을 하는 하나의 기계 장치내에서 결합될 수 있다. 그러한 결합된 센서/압축 장치는 서모스탯에서 사용되는 스트립과 같은 바이메탈 물질을 가지고 형성될 수 있다. 낮은 대기 온도에서는, 상기 바이메탈 장치는 열 절연이 확장되도록 하여 차가운 대기 상태로부터 상기 배터리 시스템을 보호하나, 배터리 온도 또는 대기 온도가 상승할 때, 상기 바이메탈 장치는 절연을 감소시켜 상기 배터리 시스템으로부터 절연 효과를 제거하도록 한다.
상기 가변 열 절연체는 전체 배터리, 모듈 또는 배터리 팩 시스템을 충분히 걸쳐서 사용될 수 있으나, 항상 그렇게 할 필요는 없다. 상기 가변 열 절연체는 상기 시스템의 문제 부분을 절연할 때에만 효과적일 수 있다. 예를 들어, 리브가 형성된 엔드 플레이트를 가진 본 발명에 따른 배터리 모듈 및 배터리 팩 시스템에서, 낮은 대기 온도상태에 의해 가장 직접적으로 영향을 받는 모듈의 단부를 열 절연하기 위해서 필요할 뿐이다. 이러한 대기 상태는 상기 모듈(들)의 배터리간에 커다란 온도 불균형을 가져오며 그 결과 모듈 또는 팩 시스템의 성능을 떨어뜨리게 된다. 상기 모듈(들)의 온도 영향을 받는 단부(들)에 대한 가변 절연에 의해서, 배터리간의 온도차가 감소되거나 제거될 수 있으며, 모듈(들)의 전체 온도가 제어될 수 있다. 마지막으로, 열 절연체는 배터리 또는 모듈과 반드시 접촉할 필요는 없으나 상기 모듈로부터 떨어질 수 있으며 추가 열 절연체로서 작용하는 배터리 또는 모듈 근처의 정체 공기지역을 남겨둘 수 있다.
상기한 개시내용은 본 발명의 충분한 개시를 위해 기술된 상세한 실시예를 통해서 제시되며, 그런 상세한 내용은 상기한 내용 및 하기에서의 본 발명의 청구범위에서 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서 해석된다.

Claims (14)

  1. 하나 이상의 상호 연결된 재충전 가능한 배터리로 형성되며, 성능을 저하시키는 열적 동작 온도를 장치내에 발생시키는 주변의 열적 조건에 노출되는 재충전가능한 배터리 시스템에 있어서, 상기 재충전가능한 배터리 시스템은:
    상기 재충전가능한 배터리 시스템의 적어도 상기 주변의 열적 조건에 가장 직접적으로 노출된 부분에 가변적 열절연을 제공하는 수단을 구비하여, 재충전가능한 배터리 시스템의 온도를 가변적인 주변 조건하에서 원하는 동작 범위내에서 유지하는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 재충전가능한 배터리 시스템은 하나의 재충전가능한 배터리를 구비하는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 재충전가능한 배터리 시스템은 배터리 모듈로 번들링되는 복수의 전기적으로 상호연결된 재충전가능한 배터리를 구비하는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 재충전가능한 배터리 시스템은 케이스내에 위치하여 배터리 팩 시스템을 형성하는 복수의 배터리 모듈로 번들링되는 복수의 전기적으로 상호연결된 재충전가능한 배터리를 구비하는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 가변적 열절연을 제공하는 수단은 온도 센서 수단, 압축가능한 열절연 수단 및 상기 열센서에 의해 검출된 온도에 응답하여 상기 압축가능한 열절연 수단을 압축하기 위한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 열 센서는 전자 센서를 포함하며, 상기 압축가능한 열 절연수단은 압축가능한 발포체 또는 섬유 절연체를 포함하며, 상기 압축가능한 열 절연수단을 압축하기위한 수단은 상기 전자 센서로부터 발생한 신호에 응답하여 상기 압축가능한 발포체 또는 섬유 절연체상에서 압축을 가변적으로 증가 또는 감소하는 피스톤 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리 시스템.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 온도 센서 및 상기 압축가능한 열 절연수단을 압축하기 위한 상기 수단은 단일 장치로서 결합되는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    결합된 단일 장치의 열 센서 및 열절연 압축 수단은 상기 압축가능한 열 절연수단이 확장되도록 하여 차가운 대기 상태로부터 상기 배터리 시스템을 보호하며 상기 절연체를 압축시켜 상기 배터리 시스템으로부터 절연 효과를 제거하도록 하는 바이메탈 스트립을 구비하는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리 시스템.
  9. 제 2항에 있어서,
    주변의 열적 조건에 가장 직접적으로 노출된, 상기 재충전가능한 배터리 시스템의, 적어도 일부분은 재충전가능한 배터리의 전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리 시스템.
  10. 제 3항에 있어서,
    주변의 열적 조건에 가장 직접적으로 노출된, 상기 재충전가능한 배터리 시스템의, 적어도 일부분은 배터리 모듈의 전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리 시스템.
  11. 제 3항에 있어서,
    주변의 열적 조건에 가장 직접적으로 노출된, 상기 재충전가능한 배터리 시스템의, 적어도 일부분은 상기 배터리 모듈의 단부만을 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리 시스템.
  12. 제 4항에 있어서,
    주변의 열적 조건에 가장 직접적으로 노출된, 상기 재충전가능한 배터리 시스템의, 적어도 일부분은 상기 케이스내에 위치하여 상기 배터리 팩 시스템을 형성하는 상기 복수의 배터리 모듈의 전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리 시스템.
  13. 제 4항에 있어서,
    주변의 열적 조건에 가장 직접적으로 노출된, 상기 재충전가능한 배터리 시스템의, 적어도 일부분은 상기 케이스내에 위치하여 상기 배터리 팩 시스템을 형성하는 상기 복수의 배터리 모듈의 적어도 하나의 단부만을 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리 시스템.
  14. 제 2항에 있어서,
    주변의 열적 조건에 가장 직접적으로 노출된, 상기 재충전가능한 배터리 시스템의, 적어도 일부분은 상기 케이스내에 위치하여 상기 배터리 팩 시스템을 형성하는 상기 복수의 배터리 모듈의 전부의 단부만을 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전가능한 배터리 시스템.
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