KR20100084703A - 여러 전기화학적 저장 전지를 가진 상호연결된 배터리 팩들을 가진 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

상호연결된 배터리 팩(2300)들을 가진 배터리 시스템이 개시된다. 각각의 배터리 팩(2300)은 복수의 직사각형 프리즘 모양 전지들(300)을 포함한다. 각각의 전지(300)는 한 말단에 양극 단자와 다른 말단에 음극 단자를 포함한다. 전지들(300)은 사이드-바이-사이드 방식으로 배터리 팩 하우징(2305)에 수용된다. 전지들(300)은 전기적으로 직렬로 연결되어 전지(300)를 위한 양극 단자는 인접 전지(300)의 음극 단자를 향해 연장되고 접촉되고 전지(300)를 위한 음극 단자는 다른 인접 전지(300)의 양극 단자를 향해 연장되고 접촉된다.

Description

여러 전기화학적 저장 전지를 가진 상호연결된 배터리 팩들을 가진 배터리 시스템{Battery system having interconnected battery packs each having mulltiple electrochemical storage cells}
본 발명은 전기구동모터를 가진 전기 및/또는 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 사용될 수 있는 배터리 전지 및 시스템 및 더욱 구체적으로, 리튬 이온 배터리 전지 및 시스템에 관한 것이다.
리튬 이온 폴리머 배터리들과 같은 재충전 가능한 배터리들은 다양한 범위의 응용분야를 가진다. 응용분야는, 예를 들어, 랩탑 배터리, 휴대폰 배터리뿐만 아니라 다른 개인용 전자 디바이스들을 위한 전원을 포함한다. 이런 디바이스들은 적절한 에너지 출력을 가진 저 중량 배터리들을 필요로 한다. 그러나, 리튬 이온 폴리머 배터리들은 상기한 개인용 전자 디바이스들보다 실질적으로 많은 에너지 출력을 필요로 하는 디바이스들에 적절한 전원을 제공할 수 있다. 예를 들어, 고출력 리튬 이온 폴리머 배터리들은 산업용 장치, 고전원 통신 시설, 자동차 등에 전원을 공급하는데 사용될 수 있다. 고 출력 리튬 이온 폴리머 배터리 시스템의 사용은 자동차 추진의 분야에서 특히 중요할 수 있다.
사람들은 비용과 화석-계 연료들의 사용과 관련된 환경 문제들에 크게 민감해졌다. 한가지 걱정은 화석-계 연료들을 태우는 자동차들로부터의 방출과 이에 상응하는 오염이다.
이런 자동차들에 대한 대안들은 전기 모터에 의해 전적으로 구동되는 전기 자동차 및 전기 모터와 화석-계 연료 엔진 모두를 사용하는 하이브리드 전기 자동차를 포함한다. 이런 대안들은 현재의 자동차들에 대한 대체물로서 매우 중요한 역할을 할 것 같다.
비록 소비자들이 완전 전기 및 하이브리드 자동차들의 환경적 이득에 매력을 느끼지만, 자신들의 화석-연료 자동차들과 동일한 전반적인 특성들을 가진 전기 모터를 사용하는 자동차들을 원한다. 배터리 성능과 안정성 문제들은 이런 목표들을 이루기 위해 극복해야 한다. 이를 위해서, 리튬 이온 배터리들은 다른 더욱 평범한 배터리 형태들보다 바람직하다. 리튬 이온 배터리들은 자동차에서 배터리에 필요한 공간이 양을 감소시키는 고 에너지 밀도를 갖는 점에서 이 목적을 위해 효과적이다. 게다가, 리튬 이온 배터리들은 더욱 평범한 배터리 형태들보다 무게가 적게 나가도록 제조될 수 있다.
완전 전기 및 하이브리드 자동차들에 사용된 전기 모터들과 사용하기 위한 배터리 시스템들은 여러 관점에서 현재 부족하다. 배터리 시스템의 개별 배터리 전지들은 자주 무겁고, 크고 신뢰할 수 없다. 또한, 현재 배터리 전지들은 허용할 수 있는 가속 수준에서 자동차를 가속시키는데 필요한 높은 에너지 출력을 효과적으로 제공하도록 제조되거나 사용되지 않는다. 또한 개별 배터리 전지들은 주로 신뢰할 수 없고, 불안전하고 일반적으로 전기 동력 자동차들에 사용하기에 적절하기 않은 전기화학, 전지 코어 구조, 전기 배선 및 셸 구조를 사용한다.
개별 배터리 전지들과 관련된 에너지 부족을 극복하기 위해서, 여러 개별 배터리 전지들을 서로 연결하여 이들의 결합된 에너지 출력이 필요한 구동 에너지를 제공하려는 시도들이 이루어졌다. 개별 배터리 전지들 사이의 연결은 역시 주로 신뢰할 수 없다. 게다가, 이런 여러-전지 배터리 시스템의 안정성을 확보하는 것을 거의 성공하지 못했다. 단락뿐만 아니라 폭발도 적절하게 대처하지 못했다. 높은 에너지 출력 배터리 시스템은 이런 시스템에 이용가능한 많은 응용분야에서 사용될 경우 성능, 수명, 신뢰성 및 안정성과 같은 문제들을 다룰 수 있도록 제조돼야 한다.
상호연결된 배터리 팩들을 가진 배터리 시스템이 개시된다. 각각의 배터리 팩은 복수의 직사각형 프리즘 모양 전지들을 포함한다. 각각의 전지는 한 말단에 양극 단자와 다른 말단에 음극 단자를 포함한다. 전지들은 사이드-바이-사이드 방식으로 배터리 팩 하우징에 수용된다. 전지들은 전기적으로 직렬로 연결되어 전지를 위한 양극 단자는 인접 전지의 음극 단자를 향해 연장되고 접촉되고 전지를 위한 음극 단자는 다른 인접 전지의 양극 단자를 향해 연장되고 접촉된다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있음
본 발명은 다음 도면과 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 도면들에서 구성요소들은 일정 비율로 축소할 필요가 없고 본 발명의 원리들을 설명하기 위해 강조된다. 또한, 도면들에서, 유사한 참조 번호들은 다른 시야를 통해서 본 상응하는 부품들을 나타낸다.
도 1은 휘감긴 배터리 코어를 형성하는데 사용될 수 있는 예시적 다층 배터리판을 통해 본 단면도이다.
도 2a는 배터리 전지에서 사용된 평평한 휘감긴 코어의 투시도이다.
도 2b-2d는 코어를 형성하는 판들이 휘감기지 않은 코어의 다른 실시예를 도시한다.
도 3은 도 2a의 휘감긴 코어를 가진 배터리 전지(300)의 양극 말단의 확대도이다.
도 4는 배터리 전지(300)의 단면을 통해 본 개략도이다.
도 5 및 6은 노출된 기판들에 가장 가까운 양극판 및/또는 음극판의 영역을 형성하는 한 방식을 도시한다.
도 7은 휘감긴 코어의 한 실시예의 단면도이다.
도 8은 무른 굽은 커넥터의 한 실시예를 도시한다.
도 9는 무른 굽은 커넥터의 다른 실시예를 도시한다.
도 10은 도 8의 굽은 커넥터들이 어떻게 인접 배터리 전지들을 연결하는데 사용될 수 있는 지를 도시한다.
도 11은 인접 배터리 전지들을 연결하기 위한 다른 구조를 도시한다.
도 12 및 13은 배터리 전지의 코어를 최적 작동 온도가 되게 하기 위해 사용될 수 있는 연결 구조를 도시한다.
도 14a는 도 8의 굽은 커넥터에 여러 코어 배터리 전지를 연결하는 한 방식을 도시한다.
도 14b는 도 8의 굽은 커넥터에 배터리 전지의 한 코어 구조를 연결하는 한 방식을 도시한다.
도 15는 배터리 전지의 보호 셸의 각 말단에 사용된 개스킷의 평면도이다.
도 16 및 17은 휘감긴 코어의 주변을 둘러싸는 보호 셸의 말단을 밀봉하는 한 방식을 도시한다.
도 18 - 20은 배터리 전지의 말단 덮개 어셈블리 상에 사용될 수 있는 송풍 어셈블리의 한 실시예를 도시한다.
도 21 및 22는 도 18에 도시된 송풍 어셈블리를 보충 및/또는 대체하는데 사용될 수 있는 다른 압력 완화 구조를 도시한다.
도 23은 여러 배터리 전지들이 서로 연결되어 한 하우징 내에 그룹을 이루는 배터리 팩의 블럭도이다.
도 24 내지 26은 배터리 팩을 형성하는데 사용될 수 있는 하우징의 한 실시예를 도시한다.
도 27은 인접 배터리 팩들을 기계적으로 및 전기적으로 연결하기 위해 사용될 수 있는 커넥터를 도시한다.
도 28은 어떻게 도 27의 커넥터가 사용될 수 있는 지를 도시한다.
도 29는 전력에 의해 구동될 수 있는 자동차의 모터/발전기에 전력을 공급하고 이로부터 전력을 받는 배터리 시스템을 도시한다.
도 30 내지 34는 코어의 반대 말단들에 있는 휘감긴 코어의 양극과 음극에 배선을 제공하는 것과 관련된 장점들을 도시한다.
도 35-41은 다른 배터리 전지 배선 구조들을 도시한다.
도 41a는 열적으로 활성화된 절단 클램프를 가진 무른 배선 구조를 도시한다.
도 42 내지 46은 배터리 전지들의 단자들이 브릿지 커넥터에 의해 서로 연결되는 배터리 전지 배선 구조들을 도시한다.
도 47 및 48은 중력 지원 과전류 보호 하부구조들을 가진 배터리 전지 배선 구조들을 도시한다.
도 49 내지 51은 과전류 상태들의 결과로 배터리 전지 단자들이 분리되는 열 팽창 구조를 가진 배터리 전지 배선 구조들을 도시한다.
도 52 및 53은 하부구조에 의해 방출된 화학재료 내지 배터리 전지 배선의 단자들/단자들의 하나 이상의 부분들 사이의 상호작용을 기초로 한 과전류 보호 하부구조들을 가진 배터리 전지 배선 구조들을 도시한다.
도 54-60은 액체 도체의 존재/부존재에 의해 제공된 전기적 연결/분리를 기초로 한 과전류 보호 하부구조들을 가진 배터리 전지 배선 구조들을 도시한다.
도 61 내지 64는 배터리 전지의 말단 덮개 어셈블리를 위한 보호 덮개의 다양한 실시예들을 도시한다.
도 65 내지 67은 송풍구의 다른 실시예를 도시한다.
도 68은 인접 배터리 팩들을 기계적으로 및 전기적으로 연결하는데 사용될 수 있는 커넥터의 다른 실시예를 도시한다.
도 69는 어떻게 도 27 및 68의 커넥터들이 배터리 팩들이 나란히 배열되게 구성될 때 사용될 수 있는 지를 도시한다.
리튬 이온 폴리머 배터리들은 리튬 이온이 양극과 음극 사이에서 이동하는 재충전 가능한 배터리의 형태이다. 리튬 이온은 방전하는 동안 양극으로부터 음극으로 이동하고 충전하는 동안 음극으로부터 양극으로 이동한다.
도 1은 휘감긴 배터리 코어를 형성하기 위해 감길 수 있는 예시적 다층 배터리 판(100)을 통과한 단면도이다. 도 1의 배터리 판(100)은 세 기능성 구성요소: 양극판(105), 음극판(110) 및 격리판(115)을 포함한다. 양극판(105)은 양극 기판(107)의 반대 면들 상에 위치된 활성 양극층들(106)을 포함할 수 있다. 양극 기판(107)은 구리와 같은 금속 호일의 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 활성 양극층들(106)은 흑연 또는 다른 탄소계 재료로 형성될 수 있다. 한 실시예에서, 양극판(105)의 활성층들(106)은 100 그램의 천연 흑연과 3 그램의 폴리바이닐리덴 플루오라이드(PVDF) 접합제 재료 및 3 그램의 아세틸렌 블랙 전도성 재료 내지 100 그램의 NI-메틸파이롤리돈(NMP)을 사용하여 생산할 수 있다. 성분들을 진공 혼합기에서 균일한 슬러리로 혼합할 수 있다. 슬러리는 약 12 마이크론의 코팅제로서, 구리 호일과 같은 기판(107)의 한 면에 도포되어, 약 100-110㎛의 결합된 층 두께를 가진 구조를 형성할 수 있다. 그런 후에 코팅된 호일은 약 90℃의 온도에서 건조되어 양극(115)을 형성할 수 있다.
음극판(110)은 음극 기판(114)의 반대 면들 상에 위치된 활성 탄소층들(112)을 포함할 수 있다. 음극 기판(114)은 알루미늄과 같은 금속 호일의 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 활성 음극층들(112)은 비록, TiS2(이황화 티타늄)과 같은 재료들이 사용될 수 있으나, 다층 산화물(예를 들어, 리튬 코발트 산화물), 고분자 음이온을 기초로 한 재료(예를 들어, 리튬 철 인산염) 또는 첨정석(예를 들어, 리튬 마그네슘 산화물)과 같은 재료들로 형성될 수 있다.
한 실시예에서, 음극판(110)의 활성층들(112)은 적어도 하나의 리튬 금속 화합물과 적어도 하나의 혼합 금속 결정을 결합함으로써 형성될 수 있고, 혼합 금속 결정은 금속 원소들과 금속 산화물들의 혼합물을 포함한다. 리튬 화합물은 일반식 LiMaNbXOc을 가진 금속 삽입 화합물일 수 있고, M은 Fe, Mn, Ni, V, Co 및 Ti와 같은 제 1 열 전이 금속이며; N은 Fe, Mn, Ni, V, Co, Ti, Mg, Ca, Cu, Nb, Zr 및 희토류 금속들로부터 선택된 금속이며; X는 P, Si, S, V 및 Ge로부터 선택되며; a, b 및 c는 금속 삽입 화합물에 중성 전하를 제공하는 값을 가진다. 금속 화합물은 일반식 McNd을 가질 수 있고, M은 주기율표에서 IA, IIA, IIIA, IVA, VA, IIIB, IVB 및 VB 족으로부터 선택된 금속이며; N은 O, N, H, S, SO4, PO4, OH, Cl, F 및 C로부터 선택되며; 0 <c≤4 및 O<d≤6이다. 다른 예들에서, 금속 화합물은 MgO, SrO, Al2O3, SnO2, Sb2O3, Y2O3, TiO2 및 V2O5로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원을 포함할 수 있다. 금속 화합물과 리튬 화합물은 불활성 기체 또는 환원 기체 분위기에서 약 2 시간 동안 약 600-900℃로 가열 또는 소결되어 음극판(110)을 위한 재료를 형성할 수 있다.
다른 실시예에서, 금속 화합물은 일반식 LiaA1 - yBy(XO4)b/McNd을 가진 혼합 결정 화합물로 형성될 수 있고, A는 Fe, Mn, Ni, V, Co 및 Ti와 같은 제 1 열 전이 금속이며; B는 Fe, Mn, Ni, V, Co, Ti, Mg, Ca, Cu, Nb, Zr 및 희토류 금속들로부터 선택된 금속이며; X는 P, Si, S, V 및 Ge로부터 선택되며; M은 주기율표에서 IA, IIA, IIIA, IVA, VA, IIIB, IVB 및 VB 족으로부터 선택된 금속이며; N은 O, N, H, S, SO4, PO4, OH, Cl, F 및 C로부터 선택되며; 0<a≤1, 0≤y≤0.5, 0<b≤1, 0<c≤4 및 0<d≤6이다. 입자 크기들은 약 10㎛ 미만일 수 있고, 3-5㎛이 바람직할 수 있다.
활성 음극 재료는 제 1 결정 화합물과 제 2 결정 화합물로 형성될 수 있다. 제 1 결정 화합물은 제 2 결정 화합물 내에 분산되어 복합 화합물을 형성할 수 있다. 제 1 결정 화합물은 적어도 하나의 리튬 원료, 적어도 하나의 철 원료 및 적어도 하나의 인산염 원료의 조합을 가열함으로써 제조될 수 있는 반면 제 2 결정 화합물은 적어도 두 금속 화합물을 가열함으로써 제조될 수 있다. 제 2 결정 화합물은 주기율표의 IA, IIA, IIIA, IVA, VA, IIIB, IVB 및 VB 족으로부터 선택된 하나 이상의 구성원을 포함할 수 있다.
활성 음극 재료를 형성하는 동안, 여러 결정 결함들이 중간 또는 복합 결정들 내에 들어올 수 있어서 전자 상태 및 금속 산화물들의 형성은 변형되거나 변한다. 따라서 혼합된 결정 구조를 가진 금속 화합물은 여러 산소 빈자리와 사라진 산소 원자들을 포함할 수 있다. 산소 빈자리들은 캐리어 전도를 촉진할 수 있어서 혼합된 결정의 전도성을 향상시킬 수 있다. 이를 위해서, 금속 화합물은 리튬 화합물보다 더 적은 결정 격자를 가질 수 있어서 리튬 화합물 내에 들어가거나 분산된다. 또한, 금속 화합물은 둘 이상의 큰 결정 격자들 사이에 들어가거나 분산될 수 있다. 게다가, 금속 화합물은 리튬 화합물의 알갱이 경계들 내에 존재할 수 있다. 마지막으로, 금속 화합물은 리튬 화합물의 외부 알갱이 표면들 주위에 분산될 수 있다. 각각의 경우에, 리튬 이온 이동은 한 결정 격자 내 또는 둘 이상의 결정 격자 사이에서 가교로서 역할을 한다. 리튬 이온들은 전기 컨덕턴스, 커패시턴스 및 재활용성을 포함하는 향상된 전기 특성들을 위해 완전히 방출될 수 있다.
바람직하게는, 금속 화합물은 리튬 철 인산염 화합물 내에 분산되어 음극판(110)에서 사용하기 위한 복합 화합물을 형성할 수 있다. 금속 화합물은 리튬 이온 인산염 화합물 내에 분산되어 혼합된 결정을 형성할 수 있다. 한 예에서, 리튬 철 인산염 화합물 및 금속 화합물은 약 1 내지 0.001 - 0.1의 몰 비를 가질 수 있다. 음극 재료는 알갱이 경계들 사이에 흩어진 탄소 첨가제들로 도핑되거나 알갱이 표면들 상에 코팅될 수 있다. 도핑된 탄소 첨가제는 1-15중량%의 탄소를 가진 최종 음극 재료 생성물을 제공할 수 있다. 탄소 첨가제는 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 흑연 및 탄수화물 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원을 포함할 수 있다.
복합 화합물은 리튬 원료, 철 원료, 인산염 원료 및 약 1:1:1:0.001-0.1의 Li:Fe:P:결정 화합물 몰 비를 가진 제 2 결정 화합물을 포함할 수 있다. 다른 경우에, 다양한 Li:Fe:P:결정 화합물 몰 비가 채택될 수 있다. 리튬 원료는 탄산 리튬, 수산화 리튬, 옥살산 리튬, 아세트산 리튬, 불화 리튬, 염화 리튬, 브롬화 리튬, 요오드화 리튬 및 인산 이수소 리튬으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원을 포함할 수 있다. 철 원료는 옥살산 제일철, 아세트산 제일철, 염화 제일철, 황산 제일철, 인산 철, 산화 제일철, 산화 제이철, 산화 철 및 인산 제이철로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원을 포함할 수 있다. 인산염 원료는 암모늄, 인산 암모늄, 인산 이수소 암모늄, 인산 철, 인산 제이철, 및 인산 수소 리튬으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원을 포함할 수 있다.
혼합된 결정 인산 철 리튬 음극 재료를 제조하는 방법은 적어도 하나의 LiFePO4 화합물을 혼합 화합물과 고르게 혼합하는 단계 및 약 2-48시간 동안 불활성 기체 또는 환원성 기체 분위기에서 최종 혼합물을 600-900℃로 가열하는 단계를 포함한다. 혼합 화합물은 둘 이상의 금속 산화물을 포함하며 금속은 주기율표의 IA, IIA, IIIA, IVA, VA, IIIB, IVB 및 VB 족으로부터 선택될 수 있다. 혼합 화합물은 혼합된 결정 구조를 제공하며, 상응하는 혼합된 결정 구조로 혼합 화합물을 제조하는 방법은 IA, IIA, IIIA, IVA, VA, IIIB, IVB 및 VB 족의 금속 산화물을 혼합하는 단계 및 2-48시간 동안 600-1200℃로 혼합물을 가열하는 단계를 포함한다.
혼합된 결정 음극 재료를 제조하는 한 방법은 리튬, 철 및 인산염 원료들을 고르게 혼합하는 단계 및 적어도 약 2시간 동안 불활성 기체 또는 환원성 기체 분위기에서 이들을 600-900℃로 가열하는 단계를 포함한다. 최종 혼합물은 주기율표의 IA, IIA, IIIA, IVA, VA, IIIB, IVB 및 VB 족으로부터 선택된 둘 이상의 금속 산화물의 조합을 가진 혼합된 금속 화합물과 혼합될 수 있다. 한 실시예에서, 리튬 원료, 철 원료, 인산염 원료 및 혼합된 금속 화합물은 1:1:1:0.001-0.1의 Li:Fe:P:혼합된 금속 화합물 몰 비를 제공할 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 Li:Fe:P:혼합된 금속 화합물 몰 비를 채택할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 탄소 원료가 최종 혼합물에 첨가될 수 있고, 탄소 원료는 제한 없이 다음 중 하나 이상을 포함한다: 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 흑연 및 탄수화물 화합물. 최종 혼합물에 첨가된 탄소 원료의 양은 최종 생성물에 1-15중량%의 탄소를 제공할 수 있어야 한다.
음극 재료를 형성하는데 사용된 리튬 원료들은 제한 없이 다음 화합물들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 탄산 리튬, 수산화 리튬, 옥살산 리튬, 아세트산 리튬, 불화 리튬, 염화 리튬, 브롬화 리튬, 요오드화 리튬 및 인산 이수소 리튬. 철 원료들은 제한 없이 다음 화합물들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 옥살산 제일철, 아세트산 제일철, 염화 제일철, 황산 제일철, 인산 철, 산화 제일철, 산화 제이철, 산화 철 및 인산 제이철. 철의 원료로서 3가 철 화합물을 사용할 때, 볼 밀링 공정은 3가 철을 2가 철로 환원시키기 위해 탄소 원료를 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 인산 원료들은 제한 없이 다음 화합물들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 암모늄, 인산 암모늄, 인산 이수소 암모늄, 인산 철, 인산 제이철, 및 인산 수소 리튬.
볼 밀에서 분쇄하는 동안, 에탄올, DI수, 및 아세톤을 포함하는 하나 이상의 용매가 주입될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 혼합 매질와 용매들이 사용될 수 있다. 또한, 혼합물은 40-80℃로 건조될 수 있거나 마를 때까지 교반될 수 있다.
사용될 수 있는 불활성 기체들의 형태는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 및 질소를 포함한다. 또한, 수소와 일산화 탄소를 포함하는 환원 기체들이 포함될 수 있다. 다른 적절한 기체들이 채택될 수 있다.
음극판(110)은 상기 활성 음극 재료들 중 하나를 포함하는 음극 슬러리를 사용하여 형성될 수 있다. 음극 슬러리는 점증제, 활성 음극 재료 및 용매를 혼합하여 형성될 수 있다. 먼저, 점증제와 용매를 혼합하여 콜로이드 용액을 준비한다. 최종 콜로이드 용액, 잔류 용매 및 활성 재료를 이축 혼합기에서 혼합한다. 용매뿐만 아니라 접합제의 일부가 추가 혼합을 위해 축 혼합기에 제공된다.
콜로이드 용액, 활성 음극 재료 및 용매는 특정 혼합 순서에 따라 이축 혼합기에서 혼합될 수 있다. 이를 위해서, 콜로이드 용액, 활성 재료 및 용매는 약 2-20Hz의 회전 주기에서 약 0-2Hz의 더 낮은 회전 주기로 감소하게 약 3-5분 동안 혼합될 수 있다. 다음으로, 콜로이드 용액, 활성 음극 재료 및 용매는 약 35-60Hz 사이의 회전 주기에서 약 35-60Hz 사이의 더 낮은 회전 주기로 감소하게 약 30-50분 동안 혼합될 수 있다. 이 지점에서, 이축 혼합기는 약 3-5분 동안 지속하는 진공을 발생시켜 혼합은 약 0.005MPa 내지 약 0.05MPa의 압력에서 일어난다. 잔류 용매와 접착제들이 이축 혼합기에 첨가되고 35-60Hz 사이의 회전 주기에서 약 35-60Hz 사이의 더 낮은 회전 주기로 감소하게 약 5-10분 동안 혼합된다. 다시, 이축 혼합기는 약 3-5분 동안 지속하는 진공을 발생시켜 혼합은 약 0.0005MPa 내지 약 0.05MPa의 압력에서 일어난다. 그런 후에 혼합은 약 10-25Hz로부터 약 0Hz로 감소하는 회전 주기에서 약 20-35분 사이에 일어난다.
음극의 활성 물질, 점증제, 접착제 및 용매의 중량비는 약 100:(0.05-10):(0.01-10):(50-150)이다. 점증제와 혼합된 용매의 중량비는 약 60-90%일 수 있다. 콜로이드 용액과 활성 재료가 혼합될 때, 용매의 중량비는 약 0.1-30%일 수 있고 접합제가 첨가될 때 약 8-20%일 수 있다.
음극 기판(110)은 알루미늄 호일과 같은 전도성 기판을 슬러러로 코팅함으로써 형성될 수 있다. 슬러리는, 다른 도포 방법을 사용할 수 있으나, 롤링 작업을 사용하여 전도성 기판상에 도포될 수 있다. 전도성 기판과 슬러리는 건조되어 음극판(110)을 형성한다. 음극판(110)은, 비록 다른 두께가 사용될 수 있으나, 100 내지 110㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
격리판(115)은 미세-다공성 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌 전해질 막일 수 있다. 이런 막들은 노스 캘로라이나, 캐롤렛의 US 셀가드로부터 구입할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 양극판(105)은 양극판(105)의 기판(107)이 활성 양극층(106)을 포함하지 않는 영역을 포함한다. 오히려, 구리 기판(107)은 양극판(105)과 전기 연결을 쉽게 하도록 노출된다. 기판(107)의 노출된 영역은 양극판(105)의 전체 길이를 따라 실질적으로 연장되어 양극판(105)의 제 1 모서리는 배터리 판(100)이 감겨 휘감긴 코어(200)를 형성할 때 전도성 영역(107)을 형성한다(도 2 참조). 기판(107)의 노출된 영역은 활성 양극층(107)이 기판(107)에 도포되는 영역을 제안함으로써 형성될 수 있다. 추가적으로 또는 선택적으로, 기판(107)의 노출된 영역은 양극판(105)의 소정의 폭을 따라 기판(107)으로부터 활성 양극층(106)을 선택적으로 제거함으로써 활성 양극층(106)의 도포 후 형성될 수 있다. 이런 제거는 기계적 제거 기술 및/또는 화학적 제거 기술을 사용하여 완성될 수 있다.
음극판(110)은 음극판(110)의 기판(114)이 활성 음극층(112)을 포함하지 않는 영역을 포함한다. 오히려, 알루미늄 기판(112)은 음극판(110)과 전기 연결을 쉽게 하도록 노출된다. 기판(112)의 노출된 영역은 음극판(110)의 전체 길이를 따라 실질적으로 연장되어 음극판(110)의 모서리는 배터리 판(100)이 감겨 도 2a의 휘감긴 코어를 형성할 때 전도성 영역(114)을 형성한다. 기판(114)의 노출된 영역은 활성 음극층(112)이 기판(114)에 도포되는 영역을 제안함으로써 형성될 수 있다. 추가적으로 또는 선택적으로, 기판(114)의 노출된 영역은 음극판(110)의 소정의 폭을 따라 기판(114)으로부터 활성 음극층(112)을 선택적으로 제거함으로써 활성 양극층(112)의 도포 후 형성될 수 있다. 이런 제거는 기계적 제거 기술 및/또는 화학적 제거 기술을 사용하여 완성될 수 있다.
도 2a에 도시된 대로, 양극판(105), 음극판(110) 및 격리판(115)은 돌돌 말려서 휘감긴 코어(200)을 형성할 수 있다. 노출된 기판(114)은 휘감긴 코어(200)의 음극을 위한 다층 집전 장치 구조를 형성하는 반면 노출된 기판(107)은 휘감긴 코어(200)의 양극을 위한 다층 집전 장치 구조를 형성한다. 음극을 위한 집전 장치 및 양극을 위한 집전 장치는 코어(200)의 길이의 반대 말단에 위치하여 상당량의 전류를 운반할 수 있는 낮은 저항 컨택들을 제공한다. 휘감긴 코어(200)의 반대면들에 집전 장치들을 형성하는 것은 제조 공정을 간단하게 한다.
집전 장치들은 여러 다른 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 집전 장치들은 노출된 기판층들로만 형성될 수 있다. 추가적으로 또는 선택적으로, 집전 장치들은 감기 전 또는 후, 각각 양극판 및 음극판의 각각의 길이를 따라 전도성 리본의 재료를 부착함으로써 형성될 수 있다.
휘감긴 코어(200)의 외부층은 절연체일 수 있다. 한 실시예에서, 격리판(115)은 양극판(105)과 음극판(110)보다 더 길다. 이와 같이, 양극판(105)과 음극판(110)은 격리판(115)의 말단이 도달하기 전에 감기 작업에서 종료된다. 격리판(105)의 초과 길이는 코어(200) 주위에 소정의 횟수(예를 들어, 둘 이상)로 감겨서 외부 절연층(115)을 형성한다. 이런 구조는 코어(200)의 제조를 간단하게 하고 코어 구조의 균일성을 증가시킨다.
일단 휘감긴 코어(200)가 형성되면, 양극 기판(107)과 음극 기판(114)의 노출된 층들은 압축되어 이들의 모양이 변형되며 휘감긴 코어(200)의 각 말단 부분의 외부 단면 면적은 코어(200)의 내부 단면 면적보다 작아진다. 이를 위해서, 휘감긴 코어(200)의 양극 기판(107)의 노출된 층들은 서로 용접되고, 기계적 패스너로 서로 고정되고 접착제 등을 사용하여 서로 고정될 수 있다. 바람직하게는, 양극 기판(107)의 노출된 층들은 함께 압축시켜 서로 고정되며, 노출된 기판(107)의 전체 길이 또는 부분 길이를 따라 함께 용접되어 하나의 음극 집전 장치 구조를 형성한다. 음극 기판(114)의 층들은 양극 기판(107)의 층들과 유사한 방식으로 형성될 수 있다.
코어(200)를 위한 다른 구조는 도 2b 내지 2d에 도시된다. 이 실시예에서, 여러 양극판, 음극판 및 격리판이 서로 인접하게 적층된다. 그러나, 상기한 코어 구조와 달리, 코어를 형성하는 판들은 코일을 형성하기 위해 감기지 않는다. 오히려, 코어(200)는 도2b의 배열에서 도시된 대로, 복수의 평면 판들로 구성된다. 바람직하게는, 코어(200)의 말단 판들은 절연판들이고, 더욱 바람직하게는, 하나 이상의 격리판(115)이다. 코어(200)의 이런 실시예의 정면도는 도 2c에 도시되는 반면에 측면도는 도 2d에 도시된다. 도시된 대로, 절연판/격리판은 적층된 음극판과 양극판의 측면 모서리를 넘어서 연장되는 것이 바람직하고 측면 모서리 주위에 감겨서 음극판과 양극판을 서로 분리시킬 수 있다. 적층된 음극판과 양극판 사이에 바람직하지 않은 접촉을 예방하고 환경 노출을 예방하기 위해서 적층된 음극판과 양극판을 밀봉하는 다른 방법들이 사용될 수 있다. 비록 도 2b 내지 도 2d의 집전 장치(114 및 107)는 양극판과 음극판 재료의 기판층들로 형성되지만, 개개의 적층된 기판층들이 연결되는 리본으로 형성될 수 있다.
도 3은 휘감긴 코어(200)(도 3에 포함되나 도시되지 않음)를 가진 배터리 전지(300)의 양극 말단의 확대도를 도시한다. 도 3에서, 배터리 전지(300)는 휘감긴 코어(200)를 수용하는 보호 셸(305)을 포함한다. 집전 장치(310)는 말단 덮개 어셈블리(335)를 통해 연결 구조(325)의 제 1 말단(320)과 전기적으로 맞물린다. 연결 구조(325)의 제 2 말단(330)은 배터리 전지(300)의 양극을 위한 외부 컨택을 제공하기 위해 상응하는 덮개판/말단캡(335)을 통해 연장된다.
도 3에 도시된 대로, 보호 셸(305)은 모양이 직사각형이고 코어(200)가 이의 내부에 꼭 맞는 치수로 만들어진다. 비록 셸(305)(및 코어(200))은 다양한 치수로 만들어질 수 있지만, 보호 셸(305)은 폭(W)과 높이(H)를 가질 수 있고, W는 약 50mm보다 크고 H는 약 100mm보다 크다. 바람직하게는, 셸(305)의 폭과 높이 사이의 비는 다음 등식에 해당한다:
0.18 < W/H < 0.5
이 관계는 코어(200)의 치수를 정의하는데 적합하며 배터리 전지(300)가 고용량이고, 높은 에너지 출력 배터리인 경우 특히 잘 맞는다.
W/H 비가 0.5보다 큰 경우, 배터리 전지(300)의 폭은 매우 크며 셸(305)의 전체 표면적은 이의 내부에 발생하는 압력을 견딜 수 없어서 셸이 구부러지거나 찌끄러진다. 이것이 안정성/안전 문제를 일으킬 수 있다. W/H 비가 0.18보다 작은 경우, 배터리 전지(300)의 높이는 매우 작아서, 배터리 전지(300)는 매우 얇다. 보호 셸(305) 내의 코어(200)에 사용할 수 있는 부피는 매우 적고 고용량, 고전류 코어를 수용하는데 바람직하지 않다.
도 4는 배터리 전지(300)의 단면을 통해 본 개략도이다. 이 예에서, 연결 구조(325)는 덮개판/말단캡(335)을 통해 연장되는 각진 커넥터(405)를 포함한다. 여기서, 각진 커넥터(405)는 실질적으로 Z-형태이다. 집전 장치(310)는 상기한 방식으로 형성될 수 있다. 간단하게 하기 위해, 도 4의 집전 장치(310)는 단일 양극 집전 장치 조각을 도시한다. 유연한 연결 조각(410)은 각진 커넥터(405)와 집전 장치(310)를 전기적으로 연결한다. 유연한 연결 조각(410)은 각진 커넥터(405)와 집전 장치(310)에 연결되고 용접된 구리와 같은 여러 금속 호일층들을 포함할 수 있다. 음극 커넥터를 연결 구조의 상응하는 각진 커넥터에 연결하는데 유사한 기술이 사용될 수 있다. 그러나, 각진 커넥터와 음극 집전 장치 사이에 유연한 연결 조각은 각진 커넥터와 음극 집전 장치에 연결되고 용접된 다층 알루미늄 호일층들로 형성될 수 있다. 이런 형태의 상호연결 구조의 사용이 휘감긴 코어(200)를 사용하는 배터리를 제조하는데 편리함을 더해준다. 또한, 상호연결 구조는 배터리를 통해 낮은 저항, 높은 전류 통로를 제공하는데 사용될 수 있다. 또한, 이 구조는 열을 분산시키는데 사용될 수 있어서 배터리 안정성을 향상시킨다.
도 5 및 6은 각각 노출된 기판들(107 및/또는 114)에 가장 가까운 양극판(105) 및/또는 음극판(110)의 영역을 형성하는 한 방식을 나타낸다. 비록 노출된 기판(114)에 가장 가까운 상응하는 영역은 동일한 기본 구조를 가질 수 있으나, 노출된 기판(107)에 가장 가까운 영역만이 기술된다.
도 5 및 6에서, 양극판(105)은 전체 폭(505)을 가진다. 양극판(105)의 활성층들(106)은 판의 폭(510)을 따라 도포되어 폭(515)을 가진 코팅되지 않은 영역을 남긴다. 또한, 코팅되지 않은 영역은 양극판(105)의 활성 성분의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다. 활성 성분의 코팅은 폭(520)을 따라 판의 모서리에서 점진적으로 얇아진다. 영역(520)의 왼쪽 영역에서, 층들(106)은 이들의 전체 두께로 형성된다. 얇아짐은 코팅 두께 전환 영역(525)에서 시작한다. 절연 플라스터 또는 코팅제는 영역(530)을 따라 도포된다. (절연 코팅제로 코팅된) 플라스터의 폭은 전도성 기판상의 얇아지는 코팅 영역을 완전히 덮고 전도성 기판을 노출하는 영역에서 끝난다. 플라스터/코팅제는 전자 및/또는 철 절연성이어야 하고 고온에서 이의 완전한 상태를 유지할 수 있어야 한다. 한 이런 코팅제는 폴리페닐렌 설파이드(PPS)이다. 이런 구조를 사용하면 단락이 양극과 음극 사이에 발생할 가능성을 감소시킨다. 또한, 상기한 방식으로 코팅을 얇게 하면 두꺼운 모서리를 가진 코팅을 압축하는 롤러에 의해 발생할 수 있는 주름을 감소시킨다.
도 7은 휘감긴 코어(200)의 한 예의 단면도이다. 휘감긴 코어에서, 반대 영역 A 및 B에서 코어(200)에 대한 변하는 두께들 및/또는 힘들이 문제가 될 수 있다. 이런 문제들을 제한하기 위해서, 양극판(105)과 음극판(110)은 반대 평면 영역 A 및 B 대신에 반대 아치 모양 영역 C 및 D에서 끝난다. 도 7에 도시된 대로, 양극판(105)은 영역 C의 705에서 끝나는 반면 음극판(110)은 영역 D의 710에서 끝난다. 격리판(115)은 종결점(705 및 710)을 넘어서 연장되어 주위를 감아서 코어(200)의 외부 부분을 형성한다. 격리판(115)은 코어(200)의 아치 모양 면을 따라 715에서 끝난다. 판들이 감겨서 코어(200)를 형성하는 방향은 화살표(720)로 나타낸다. 이런 구조에서, 음극판(110)은 양극판(105)보다 더 길 수 있다.
도 7에 도시된 코어(200)의 구조에 따라, 영역 A 및 B는 실질적으로 평평하고 상당한 두께 차이를 갖지 않는다. 그 결과, 전해질 잠기기 동안뿐만 아니라 배터리 전지의 충전과 방전 동안 코어(200)의 팽창을 통해 형성할 수 있는 주름들이 감소한다. 이런 주름들은 영역 A 및 B에서 코어(200)에 대한 힘들이 실질적으로 균일하지 않을 때 발생한다. 이런 주름을 감소시킴으로써, 코어의 수명은 증가할 수 있다. 유사하게는, 코어(200)의 비 균일한 충전 또는 방전에 의해 발생한 숨겨진 안정성 문제들이 다루어진다(예를 들어, 코어(200)의 주름진 영역이 배터리 내에 단락을 일으켜 리튬 덴드라이트를 생산하여 폭발을 일으키는 상황).
도 8은 도 4의 연결 구조(325)에 사용될 수 있는 굽은 커넥터(800)의 한 실시예를 도시한다. 굽은 커넥터(800)는 전기 연결뿐만 아니라 도 4의 커넥터(410)를 형성하는데 사용된 재료와 기계적 결합을 만드는데 적합한 전도성 재료로 형성되며 보호 셸(305)의 폭(W)의 적어도 25%인 폭을 갖는 것이 바람직하다. 도 8의 굽은 커넥터(800)는 일반적으로 Z-모양이고 가로지르는 부분(815)으로부터 반대 방향으로 연장되는 제 1 암(805) 및 제 2 암(810)을 포함한다. 아래에 기술될 것과 같이, 제 2 암(810)은 배터리 전지의 내부 부분으로부터 가로지르는 부분(815)과 맞물리는 외부 부분까지 연장된다. 가로지르는 부분(815)은 제 1 암(805)에 의해 제 2 암(810)과 전기적으로 연결되는 배터리 전지에 대해 외부에 위치한다. 제 1 암(805)은 휘감긴 코어(200)의 양극(또는 음극)에 접근하는데 사용될 수 있는 배터리의 전기 단자를 효과적으로 형성한다.
굽은 커넥터(800)는 자동차가 사고에 관련될 때 일어나는 것과 같은 어떤 예외적인 힘들 하에서 굽은 커넥터(800)가 코어(200)와의 전기적 연결을 끊는 홈(820)과 같은 약한 구조를 포함할 수 있다. 도 8에서, 단일 홈(820)은 가로지르는 부재(820)의 폭을 따라 실질적으로 연장된다. 부가적으로 또는 선택적으로, 홈(820)은 배터리 전지(300)에 대해 외부인 제 1 암(805)의 길이 및/또는 배터리 전지(300)에 대해 외부인 제 2 암(810)의 일부를 따라 연장될 수 있다. 여러 약한 구조들이 사용될 수 있다.
굽은 커넥터(800)를 형성하는 재료의 전기 저항 특성들에 따라, 홈(820)은 바람직하지 않은 방식으로 저항을 증가시킬 수 있다. 이런 경우에, 홈(820)은 기계적으로 연성이 있는 전도성 재료로 채워질 수 있다. 주석, 전도성 고무, 및 다른 전도성 연성 재료들을 포함하나 이에 제한되지 않는 여러 재료가 이런 목적에 적합하다. 홈(820)을 가진 영역의 저항은 감소하는 반면 홈이 향상시키는 전체 안정성 특성은 남아있다.
도 9는 굽은 커넥터(900)의 다른 실시예는 도 4의 연결 구조(325)에 사용될 수 있다. 굽은 커넥터(900)는 전기 연결뿐만 아니라 도 4의 커넥터(410)를 형성하는데 사용된 재료와 기계적 결합을 만드는데 적합한 전도성 재료로 형성된다. 도 9은 굽은 커넥터(900)는 일반적으로 L-모양이고 배터리 전지의 내부 부분으로부터 가로지르는 부분(915)과 맞물리는 외부 부분까지 연장되는 암(910)을 포함한다. 가로지르는 부분(915)은 휘감긴 코어(200)의 양극(또는 음극)에 접근하는데 사용될 수 있는 배터리의 전기 단자를 효과적으로 형성한다.
굽은 커넥터(900)는 약한 구조의 영역에서 굽은 커넥터(900)가 이의 전기 연결을 끊는 홈(902)과 같은 약한 구조를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 굽은 커넥터(900)는 자동차가 사고에 관련될 때 일어나는 것과 같은 어떤 예외적인 힘이 가해질 때 코어(200)와의 전기적 연결을 끊는다. 도 9에서, 단일 홈(920)은 가로지르는 부재(915)의 폭을 따라 실질적으로 연장된다. 부가적으로 또는 선택적으로, 홈(920)은 배터리 전지에 대해 외부인 암(910)의 일부에서 암(910)의 길이를 따라 연장될 수 있다. 여러 약한 구조들이 사용될 수 있다.
굽은 커넥터(900)를 형성하는 재료의 전기 저항 특성들에 따라, 홈(920)은 바람직하지 않은 방식으로 저항을 증가시킬 수 있다. 이런 경우에, 홈(920)은 기계적으로 연성이 있는 전도성 재료로 채워질 수 있다. 주석, 전도성 고무, 및 다른 전도성 연성 재료들을 포함하나 이에 제한되지 않는 여러 재료가 이런 목적에 적합하다. 홈(920)을 가진 영역의 저항은 감소하는 반면 홈이 향상시키는 전체 안정성 특성은 남아있다.
굽은 커넥터(800 및 900)의 홈(820 및 920)의 치수들은 커넥터들(800 및 900)을 형성하는데 사용된 재료에 의존한다. 굽은 커넥터가 구리로 형성되는 경우, 상응하는 홈의 깊이는 가로지르는 부분의 두께의 대략 50%-90%일 수 있다. 가로지르는 부분을 따라 홈의 폭은 홈의 깊이의 약 100%-500%일 수 있다. 굽은 커넥터가 알루미늄으로부터 형성되는 경우, 상응하는 홈의 깊이는 가로지르는 부분의 두께의 대략 30%-80%일 수 있다. 가로지르는 부분을 따라 홈의 폭은 홈의 깊이의 약 100%-300%일 수 있다.
도 10은 어떻게 도 8의 굽은 커넥터가 인접한 배터리 전지들을 연결하는데 사용되는 지를 도시한다. 도시된 대로, 배터리 전지(300a)는 서로 연결하기 위해 인접 배터리 전지(300b)에 위치한다. 배터리 전지(300a)는 말단 덮개 구조(335a)를 포함한다. 굽은 음극 커넥터(800a)는 상응하는 휘감긴 코어(도시되지 않음)의 음극 집전 장치와 전기적으로 연결되는 배터리 전지(300a)의 내부 부분으로부터 연장된다. 굽은 커넥터(800a)의 가로지르는 부분(815a)은 인접 배터리 전지(300b)를 향하는 방향으로 연장된다. 유사하게, 배터리 전지(300b)는 말단 덮개 구조(335b)를 포함한다. 굽은 양극 커넥터(800b)는 상응하는 휘감긴 코어(도시되지 않음)의 양극 집전 장치와 전기적으로 연결되는 배터리 전지(300b)의 내부 부분으로부터 연장된다. 굽은 커넥터(800b)의 가로지르는 부분(815b)은 인접 배터리 전지(300a)를 향하는 방향으로 연장된다.
커넥터들(800a 및 800b)의 직립한 암들의 면들은 접합부(1005)에서 서로 결합된다. 접합부(1005)는 면들을 서로 용접하고, 전도성 고무와 같은 접착제를 사용하여 서로 면들을 결합하고, 패스너를 사용하여 서로 면들을 기계적으로 연결하거나 유사한 결합 구조 및/또는 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 직립한 암들의 면들에서 굽은 커넥터들(800a 및 800b)을 서로 연결함으로써, 고전류를 운반할 수 있는 저 저항 연결이 배터리 전지(300a)의 음극과 배터리 전지(300b)의 양극 사이에 만들어진다. 유사한 구조가 각 베터리 전지(300a 및 300b)의 반대 말단에 사용되어 배터리 전지(300a)의 양극과 배터리 전지(300b)의 음극 사이에 높은 전류를 전달할 수 있는 낮은 저항 연결을 제공하며 추가 인접 전지들은 서로 모든 전지들(300)을 연결한다. 그러나 이런 상호연결 구조는 서로 평행한 인접 배터리 전지들을 전기적으로 연결하는데 사용될 수 있다.
두 굽은 커넥터(800a 및 800b)는 상응하는 약한 홈들(820a 및 820b)을 포함한다. 각각의 또는 두 배터리 전지들(300a 및/또는 300b)이 자동차와 우발적 충격에 의해 각각의 위치로부터 덜컥거리는 경우, 홈들(820a 및/또는 820b)의 영역에 있는 재료는 구부러져서 배터리 전지들(300a 및 300b)이 서로 전기적으로 떨어지게 될 것이다. 자동차에 사용된 배터리들의 안전성은 이런 방식으로 강화된다.
도 11은 인접 배터리 전지들(300a 및 300b)을 서로 연결하기 위한 다른 구조를 도시한다. 상호연결은 도 10에 도시된 것과 실질적으로 동일하다. 그러나, 굽은 커넥터들(800a 및 800b)은 직립한 암들의 면들 사이에 배치된 융합 부재(fusing member)(1105)를 사용하여 서로 결합된다. 융합 부재(1105)는 배터리 전지(300a), 배터리 전지(300b) 및/또는 배터리 전지들(300a 및 300b)을 포함하는 배터리 시스템의 고장 동안 발생할 수 있는 과다하게 높은 전기 전류/온도하에서 용해 및/또는 증발하는 주석/납 땜납 조성물 또는 유사한 재료일 수 있다. 이를 위해서, 융합 부재(1105)의 두께, 폭, 길이 및 조성물은 이들 사이의 전기 전류 및/또는 온도가 소정의 임계값을 초과하는 경우 굽은 커넥터들(800a 및 800b) 사이에 전기적 분리를 일으키도록 선택된다. 과다전류 및/또는 온도가 상태가 존재하는 경우 배터리 전지들(300a 및 300b)의 안전성은 이런 상호연결 구조를 사용하여 개선된다.
도 35 및 36은 인접 배터리 전지들(300a 및 300b)을 서로 연결하기 위한 다른 구조를 도시한다. 도시된 대로, 연결 구조는 제 1 굽은 커넥터(800a)와 제 2 굽은 커넥터(800b)를 포함한다. 각각의 굽은 커넥터(800a, 800b)는 제 1 암(810a, 810b), 가로지르는 부분(815a, 815b) 및 다른 암(805a, 805b)을 포함한다. 도 35 및 36에 도시된 실시예에서, 암들(805a 및 805b)은, 예를 들어, 도 8, 10 및 11에 도시된 커넥터들의 상응하는 암들보다 짧다. 굽은 커넥터들(800a 및 800b)은 암들(805a 및 805b)의 면들 사이에 배치된 융합 부재(1105)를 사용하여 서로 결합될 수 있다. 융합 부재(1105)는 배터리 전지(300a), 배터리 전지(300b) 및/또는 배터리 전지들(300a 및 300b)을 포함하는 배터리 시스템의 고장 동안 발생할 수 있는 과다하게 높은 전기 전류/온도하에서 용해 및/또는 증발하는 주석/납 땜납 조성물 또는 유사한 재료일 수 있다. 이를 위해서, 융합 부재(1105)의 두께, 폭, 길이 및 조성물은 이들 사이의 전기 전류 및/또는 온도가 소정의 임계값을 초과하는 경우 굽은 커넥터들(800a 및 800b) 사이에 전기적 분리를 일으키도록 선택된다. 과다전류 및/또는 온도가 상태가 존재하는 경우 배터리 전지들(300a 및 300b)의 안전성은 이런 상호연결 구조를 사용하여 개선된다.
커넥터들(800a, 800b)은 상호연결 구조가, 예를 들어, 자동차 충격 동안 발생할 수 있는 과도한 힘들을 받을 때 서로 떨어질 수 있도록 만들어질 수 있다. 이를 위해서, 각각의 가로지르는 부분(815a, 815b)은 좁아지는 구역(3505a 및 3505b)을 포함한다. 도시된 대로, 좁아지는 구역(3505a 및 3505b)은 개방 영역(3520)을 형성한다. 개방 영역(3520)은 과도 힘들 하에서 커넥터(800a 및 800b)의 분리를 촉진하기 위해 상호연결 구조를 약하게 한다. 각각의 암(805a 및 805b)은 좁아진 구역(3505a 및 3505b)의 폭과 실질적으로 동일하거나 상응하는 폭을 가질 수 있다.
도 37은 인접 배터리 전지(300a 및 300b)를 서로 연결하기 위한 다른 구조를 도시한다. 이런 상호연결 구조는 도 36 및 37에 도시된 상호연결 구조와 유사하다. 그러나, 암들(805a 및 805b)은 배터리 전지(300a 및 300b)를 향하는 방향으로 연장된다.
도 38은 인접 배터리 전지(300a 및 300b)를 서로 연결하기 위한 다른 구조를 도시한다. 이런 상호연결 구조에서, 제 1 굽은 커넥터(3800a)는 배터리 전지(300a)로부터 연장되는 반면 제 2 굽은 커넥터(3800b)는 배터리 전지(300b)로부터 연장된다. 각각의 커넥터(3800a, 3800b)는 개개의 배터리 전자(300a, 300b)로부터 연장되고 개개의 제 2 암(3810a, 3810b)과 맞물리는 제 1 암(3805a, 3805b)을 포함한다. 암들(3810a 및 3810b)은 서로에 대해 연장되어 연결 영역(3815)에서 겹친다. 암들(3810a 및 3810b)은 자동차 충돌에서 발생하는 것과 같은 과도한 힘들 하에서 서로 분리되도록 만들어질 수 있다. 이를 위해서, 암들(3810a 및 3810b)의 하나 또는 둘은 약한 구조를 포함할 수 있다. 도 38에서, 약한 구조는 암들(3810a 및 3810b)의 겹치는 부분들에 형성된 좁아진 구역(3820a 및 3820b)을 포함한다. 좁아진 구역(3820a 및 3820b)은 도 35-37에 도시된 연결 구조들과 유사한 아치 영역으로 제조될 수 있다.
도 39는 인접 배터리 전지(300a 및 300b)를 서로 연결하기 위한 다른 구조를 도시한다. 이런 상호연결 구조에서, 제 1 굽은 커넥터(3900a)는 배터리 전지(300a)로부터 연장되는 반면 제 2 굽은 커넥터(3900b)는 배터리 전지(300b)로부터 연장된다. 각각의 커넥터(3900a, 3900b)는 개개의 배터리 전자(300a, 300b)로부터 연장되고 개개의 제 2 암(3910a, 3910b)과 맞물리는 제 1 암(3905a, 3905b)을 포함한다. 암들(3910a 및 3910b)은 서로에 대해 연장되어 연결 영역(3915)에서 말단-대-말단 방식으로 맞물린다. 연결 영역(3915)은 배터리들(300a 및 300b) 사이의 전류 흐름이 과도하게 커질 때 발생하는 온도하에서 용융 및/또는 증발하는 재료를 사용하여 암들(3810a 및 3810b)을 서로 연결하는 일반적으로 V-모양 영역을 포함할 수 있다.
연결 영역(3915)에서의 재료는, 예를 들어, 원하는 과전류 온도에서 용융 및/또는 증발하는 반면 암들을 기계적 및 전기적으로 상호연결할 수 있는 주식 땜납 또는 다른 재료일 수 있다. 각각의 연결 암(3900a, 3900b)은 도 9에 도시된 커넥터(900) 상의 920에 있는 것과 같은 약한 구조를 포함할 수 있다.
도 40 및 41은, 예를 들어, 자동차사고/충돌 동안 발생하는 과도한 힘들 하에서 소정의 위치에 있는 배터리들(300a 및 300b) 사이의 전기 연결을 끊은 기계적으로 약한 영역들을 포함하는 다른 상호연결 구조들을 도시한다. 도 40에서, 커넥터(4005a)는 배터리 전지(300a)에 연결되는 반면 커넥터(4005b)는 배터리 전지(300b)에 연결된다. 가로지르는 암들(4000a 및 4000b)은 연결 영역(4015)에서 서로 결합하는 개개의 아치 부분(4010a 및 4010b)에서 끝난다. 아치 영역들(4010a 및 4010b)은 정상 작동 상태하에서 커넥터(4005a 및 4005b) 사이의 기계적 및 전기적 상호연결을 촉진하는데 충분히 강하다. 그러나, 이런 재료 영역들의 얇아짐은 가로지르는 부재들(4000a 및 4000b) 사이의 연결이 자동차사고/충돌 동안 발생하는 힘들을 받을 때 분리되는 약한 연결 구조를 만든다.
도 41에서, 커넥터(4105a)는 배터리 전지(300a)에 연결되는 반면 커넥터(4100b)는 배터리 전지(300b)에 연결된다. 가로지르는 암들(4100a 및 4100b)은 커넥터들(4015a 및 4105b)이 서로 기계적으로 및 전기적으로 연결되는 영역(4110)에서 서로 겹친다. 각각의 가로지르는 암들(4100a 및 4100b)은 가로지르는 암을 형성하는 재료가 얇아지는 개개의 아치 영역(4115a, 4115b)을 포함한다. 가로지르는 암들(4100a 및 4100b)은 정렬되어 아치 영역(4115a 및 4115b)이 연결 영역(4110)에서 서로 위에 가로 놓인다. 최종 구조는 정상 작동 상태하에서 커넥터(4105a 및 4105b) 사이의 기계적 및 전기적 상호연결을 촉진하는데 충분히 강하다. 그러나, 결합된 아치 영역(4115a 및 4115b)에서 재료 영역들의 얇아짐은 가로지르는 부재들(4000a 및 4000b) 사이의 연결이 자동차사고/충돌 동안 발생하는 힘들을 받아 분리되는 약한 연결 구조를 만든다.
도 41a는 도 41의 분할선 41A-41A를 따라 선택한 단자들(4100a 및 4100b)을 통과한 단면도이다. 그러나, 도 41a에서, 다층 클램프(4120)는 아치 영역들(4115a 및 4115b)을 맞물리도록 배치된다. 클램프(4120)는 다른 열 팽창 특성을 가진 제 1 층(4125)과 제 2 층(4130)을 포함한다. 이를 위해서, 제 1 층(4125)은 절연 재료일 수 있고 제 2 층(4130)보다 높은 열 팽창 계수를 가질 수 있다. 과전류 상태 동안, 단자들(4100a 및 4100b)의 온도는 증가한다. 온도가 증가함에 따라, 제 1 층(4125)은 제 2 층(4130)보다 큰 속도로 팽창한다. 제 1 층(4125)의 팽창은 제 2 층(4130)에 의해 제약되기 때문에, 제 1 층(4125)은 아치 영역들(4115a 및 4115b)에서 얇아진 재료 부분에 대해 이동된다. 결국, 온도가 과전류 상태와 일치하는 소정의 임계값을 초과하는 경우, 제 1 층(4125)은 아치 영역들(4115a 및 4115b)에 대해 충분한 힘을 가하여 단자들(4100a 및 4100b) 사이의 연결을 분리한다.
도 42 내지 46은 인접 배터리 전지들(300a 및 300b)의 단자들(4200a, 4200b)이 서로 상호연결될 수 있는 다양한 방식을 도시한다. 각 경우에, 단자들(4200a, 4200b)은 전기적으로 전도성인 브릿지 커넥터(4205)를 사용하여 서로 상호연결된다. 브릿지 커넥터(4205)는 U-모양, 역전된 U-모양, Z-모양, S-모양 또는 약 0°내지 180° 사이의 하나 이상의 굽힘 각도를 가진 임의의 다른 모양을 포함하나 이에 제한되지 않는 다양한 모양을 가질 수 있다. 브릿지 커넥터(4205)는 단일 적층 금속 구조, 다층 구조 또는 다층 금속 호일로 형성될 수 있다. 다층 금속 호일로서 브릿지 커넥터(4205)를 형성하면 브릿지 커넥터(4205)가 단자들(4200a 및 4200b) 사이의 진동 에너지를 흡수하는 기계적 버퍼로 추가로 작동하게 하여 전체 단자 연결 구조의 완전한 상태를 증가시킨다.
브릿지 커넥터(4205)는 단일 금속 재료, 다른 열 팽창 계수를 가진 여러 금속판 및/또는 메모리 합금으로 형성될 수 있다. 다층 금속판 구조에 사용될 수 있는 다른 팽창 계수를 가진 재료들의 예는 Fe-Ni 판 조합, Fe-Cu 판 조합, 및/또는 메모리 합금/공통 금속 조합을 포함한다. 브릿지 커넥터(4205)에 사용될 수 있는 메모리 합금들은 Cu-계 합금들 및/또는 Fe-계 합금들을 포함한다. 이들은, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni 및/또는 Fe-Mn을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 공통 금속은, 예를 들어, Cu, Al 및/또는 Ni일 수 있다.
브릿지 커넥터(4205)는 단자들(4200a 및 4200b)의 면 부분들에 연결된다. 브릿지 커넥터(4205)와 각각의 단자 사이의 효과적인 용접 표면은 단자의 단면 표면의 약 0.5 ~ 4배 일 수 있다. 커넥터와 단자의 금속보다 낮은 용융점을 가진 땜납은 브릿지 커넥터(4205)의 각 말단과 개개의 단자 사이의 접합부에 배치될 수 있다. 각 단자와 브릿지 커넥터(4205) 사이의 연결은 냉간압접, 초음파 용접, 땜납 용접, 플래쉬 용접, 마찰 용접, 저항 용접 등을 통해 형성될 수 있다. 바람직하게는 연결은 땜납에 사용된 합금이 약 150℃ 내지 250℃ 사이의 용융 온도를 가진다. 사용될 수 있는 재료들은 Sn, Au-20% Sn, 납-5% Sn, Ag-Sn 등을 포함한다.
도 42는 역전된 U-모양을 가진 브릿지 커넥터(4205)를 도시한다. 이런 실시예에서, 단자들(4200a 및 4200b)은 도 10에 도시된 단자들(800a 및 800b)의 일반적인 특성들을 가질 수 있다. 브릿지 커넥터(4205)는 가로지르는 부재(4220)에 의해 서로 상호연결되는 제 1 및 제 2 암(4210 및 4215)을 포함할 수 있다. 제 1 암(4210)은 단지(4200a)의 부재(4225)에 연결되는 반면 제 2 암(4215)은 단지(4200b)의 부재(4230)에 연결된다. 브릿지 커넥터(4205)는 다층 구리 호일로부터의 다층 부드러운 금속 조각으로 형성될 수 있다. 배터리 전지들(300a 및/또는 300b)이 외부 힘들을 받을 때, 가로지르는 부재(4220)는 발생된 충격 응력들을 흡수할 수 있고 단자들을 과도한 마모와 손상으로부터 보호할 수 있다.
브릿지 커넥터(4205)는 메모리 합금 또는 바이메탈 조각으로 형성될 수 있다. 상호연결 구조의 온도가, 예를 들어, 과전류 또는 다른 비정상적 상태에 의해, 갑자기 상승할 때, 메모리 합금 또는 바이메탈 조각은 브릿지/단자 접합부들이 용융됨에 따라 단자들과의 접촉으로부터 떨어지도록 화살표(4235)로 도시된 방향으로 수축할 수 있다. 그 결과, 단자들(4200a 및 4200b) 사이의 전기적 및 기계적 연결이 끊어져 배터리 전지들의 폭발 및/또는 다른 이런 위험한 결과들을 예방한다.
브릿지 커넥터(4205)를 제조하는데 사용될 수 있는 메모리 합금들은 Cu-Zn, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni 또는 Fe-Mn-Si 합금과 같은 Cu계 금속 합금들 및/또는 Fe계 금속 합금들을 포함한다. 도 42에 도시된 구조와 관련하여, Cu-Al-Ni 합금이 사용되는 것이 추측된다. 이런 경우에, 브릿지 커넥터(4205)가 최초로 형성되어 가로지르는 부재(4220)에 대한 각 암(4210 및 4215) 사이의 각도가 90°미만이 된다. 이런 모양인 상태로, 브릿지 커넥터(4205)는 메모리 효과를 제공하기 위해 수분 동안 약 300-1000℃ 사이의 고온 처리를 받을 수 있다. 브릿지 커넥터(4205)는 이의 정상 결합 위치에서 단자들(4200a 및 4200b)에 연결된다. 이 위치에서, 각각의 암(4210 및 4215) 사이의 각도는 가로지르는 부재(4220)에 대해 약 90°이다. 메모리 합금은 브릿지 커넥터(4205)가 과전류 및/또는 다른 비정상적 배터리 전지 작동 상태와 같은 온도로 상승할 때 이의 원래 모양을 회복할 것이다.
도 43은 S-모양을 가진 브릿지 커넥터(4205)를 도시한다. 이런 실시예에서, 단자들(4200a 및 4200b)은 도 10에 도시된 단자들(800a 및 800b)의 일반적인 특징들을 가질 수 있다. 브릿지 커넥터(4205)는 반대 방향으로 연장되고 가로지르는 부재(4315)에 의해 서로 상호연결되는 제 1 및 제 2 암(4305 및 4310)을 포함할 수 있다. 제 1 암(4305)은 단자(4200a)의 부재(4225)에 연결되는 반면 제 2 암(4310)은 단자(4200b)의 부재에 연결된다. 상기한 대로, 브릿지 커넥터(4205)는 다층 금속 호일, 바이메탈 조각 및/또는 메모리 합금으로 형성될 수 있다. 메모리 합금으로 형성될 때, 브릿지 커넥터(4205)는 과전류 및/또는 다른 비정상적 배터리전지 작동 상태 동안 발생하는 고온하에서 단자들(4200a 및 4200b)로부터 분리되는 것이 필요한 모양에 상응하는 원래 모양을 가질 수 있다.
도 44는 역전된 U-모양을 가진 브릿지 커넥터(4205)를 도시한다. 이런 실시예에서, 단자들(4200a 및 4200b)은 도 10에 도시된 단자들(800a 및 800b)의 일반적인 특성들을 가질 수 있다. 브릿지 커넥터(4205)는 가로지르는 부재(4415)에 의해 서로 상호연결되는 제 1 및 제 2 암(4405 및 4410)을 포함할 수 있다. 제 1 암(4405)은 단지(4200a)의 부재(4225)에 연결되는 반면 제 2 암(4410)은 단지(4200b)의 부재(4230)에 연결된다. 상기한 대로, 브릿지 커넥터(4205)는 다층 구리 호일, 바이메탈 조각 및/또는 메모리 합금으로 형성될 수 있다. 메모리 합금으로 형성될 때, 브릿지 커넥터(4205)는 과전류 및/또는 다른 비정상적 배터리전지 작동 상태 동안 발생하는 고온하에서 단자들(4200a 및 4200b)로부터 분리되는 것이 필요한 모양에 상응하는 원래 모양을 가질 수 있다. 도 44에서, 원래 모양은 브릿지 커넥터(4205)가 이런 고온들 하에서 화살표(4420)로 도시된 방향으로 팽창하도록 설정된다.
도 45는 다층 구조를 가진 브릿지 커넥터(4205)를 도시한다. 이 실시예에서, 브릿지 커넥터(4205)는 암들(4225 및 4230)에 대해 내부에 배치된 제 1 층(4505) 및 제 1 층(4505)에 대해 내부에 위치하고 함께 연장되는 제 2 층(4510)을 포함한다. 각 층(4505, 4510)은 역전된 U-모양을 가진다. 층(4510)은 공통 금속으로 형성되는 반면 층(4505)은 메모리 합금으로 형성될 수 있다. 공통 금속층(4510) 및 메모리 합금(4505)은 서로 결합되어 메모리 합금(4505)의 모양의 변화들은 공통 금속층(4510)의 모양의 상응하는 변화를 일으킨다. 이와 같이, 브릿지 커넥터(4205)는 과전류 및/또는 다른 비정상적 배터리전지 작동 상태 동안 발생하는 고온하에서 모양을 변화시킨다. 이런 모양 변화는 브릿지 커넥터(4205)가 단자들(4200a 및 4200b)을 서로 분리시킨다.
도 46은 다층 구조를 가진 브릿지 커넥터(4205)를 도시한다. 이 실시예에서, 브릿지 커넥터(4205)는 암들(4225 및 4230)에 대해 외부에 배치된 제 1 층(4605) 및 제 1 층(4605)에 대해 외부에 위치하고 함께 연장되는 제 2 층(4610)을 포함한다. 각 층(4605, 4610)은 역전된 U-모양을 가진다. 층(4610 및 4605)은 다른 열 팽창 계수들을 가진 금속으로 형성되며 서로 기계적으로 결합되어 한 층의 모양의 변화들이 다른 층의 상응하는 변화를 일으킬 것이다. 열 팽창 계수들의 차이는 브릿지 커넥터(4205)가 과전류 및/또는 다른 비정상적 배터리전지 작동 상태 동안 발생하는 고온하에서 모양을 변화시키게 하여 단자들(4200a 및 4200b)을 서로 분리시킨다. 브릿지 커넥터(4205)가 모양을 변화시킬 때 단자들(4225 및 4230)이 전기적으로 서로 절연되는 것을 확실히 하기 위해, 절연층(4615)은 브릿지 커넥터(4205)에 가장 인접한 각각의 암(4225 및 4230)의 말단 부분에 배치될 수 있다.
도 39에 도시된 것과 같은 배터리 전지 상호연결들은 중력 강화 과다온도 보호 구조들을 포함할 수 있다. 한 이런 구조의 예는 도 47과 48에 도시되며, 도 47은 구조의 정면도이고 도 48은 구조의 측면도이다. 이런 도면들은 배터리 전지들이 도 28a 및 69에 도시된 방식으로 이들의 측면을 향하는 경우 단자들의 배향을 도시한다.
도 47 및 48에 도시된 실시예에서, 단자(3900a)는 배터리 전지(300a)와 전기적으로 연결되는 반면 단자(3900b)는 배터리 전지(300b)와 전기적으로 연결된다. 전도성 블럭(4705)은 결합 재료(4710)를 사용하여 각 단자(3900a 및 3900b)의 말단 부분들에 고정된다. 전도성 블럭(4705)은 커넥터들(3900a 및 3900b)의 전체 폭(4805)뿐만 아니라 전체 두께(4715)를 따라 연장된다. 결합 재료(4710)는 Sn계 땜납, Bi계 땜납 또는 Zn계 땜납일 수 있으나, Sn계가 바람직하다. 한 예에서, 땜납은 약 0.3mm 내지 1mm, 바람직하게는 약 0.5mm 내지 0.8mm의 두께를 가질 수 있다. 땜납 재료의 용융점은 약 100℃ 내지 450℃일 수 있다. 용융점이 너무 낮은 경우, 상호연결 구조는 정상적인 작동 상태하에서 안정하지 않을 것이다. 용융점이 너무 높은 경우, 용융점은 비정상적 고온 상태 동안 도달하지 못할 것이다. Sn계 땜납은 약 231.9℃의 용융점을 갖기 때문에 바람직하다.
전도성 블럭(4705)은 결합 재료(4710)의 용융점 이상의 적어도 약 50℃인 용융점을 가진 고밀도 금속으로 형성될 수 있다. 이런 방식으로, 전도성 블럭(4705)은 적절한 브레이징 기술을 사용하여 단자들(3900a 및 3900b)로 견고하게 고정될 수 있다. 이런 기술들은 유도 브레이징, 철 솔더링, 저항 브레이즈 용접 또는 유사한 고정 기술을 포함할 수 있다.
도 48에 도시된 대로, 전도성 블럭(4705)은 기부 부분(4810)이 연결 구조의 하부에 배치되는 사다리꼴 모양일 수 있다. 전도성 블럭(4705)은 화살표(4815)에 의해 도시된 방향으로 중력을 받는다. 연결 구조가 과전류 또는 배터리 시스템의 다른 비정상적 작동 동안 발생하는 것과 같은 과다온도 상태에 놓일 때, 접합 재료(4710)는 용융되기 시작한다. 결합 재료가 용융됨에 따라, 전도성 블럭(4705)은 중력의 영향하에서 방향(4815)으로 아래로 이동한다. 결국, 전도성 블럭(4705)은 단자들(3900a 및 3900b)과의 맞물림으로부터 제거된다.
배터리 전지 상호연결은 상호연결의 온도가 과도하게 될 때 단자들 사이에 연결을 팽창시키는 치수인 전기 절연체들을 사용하여 과다온도 보호 구조들을 포함할 수 있다. 도 49 내지 51은 이런 상호연결들의 세 가지 실시예들을 도시한다. 도 49에서, 단자들(4900a 및 4900b)은 결합 재료(4710)에 의해 서로 연결된다. 결합 재료(4710)는 Sn계 땜납, Bi계 땜납 또는 Zn계 땜납일 수 있으나, Sn계가 바람직하다. 한 예에서, 땜납은 약 0.3mm 내지 1mm의 두께를 가질 수 있다. 땜납 재료의 용융점은 약 100℃ 내지 450℃일 수 있고, 약 232℃가 바람직하다. 팽창 부재(4905)는 단자들(4900a 및 4900b) 사이의 조인트에 배치된다. 도시된 대로, 팽창 부재(4905)는 원형 단면을 가질 수 있으나, 다른 단면 모양들도 사용될 수 있다. 또한, 팽창 부재(4905)는 큰 열 팽창 계수를 갖는 전기적 절연 재료로 형성될 수 있다. 또한, 팽창 부재(4905)를 형성하는 재료는 결합 재료(4710)의 용융점을 실질적으로 초과하는 용융점을 가질 수 있다.
상호연결 구조가 과다온도 상태에 놓일 때, 결합 재료(4710)는 용융되기 시작한다. 또한, 팽창 부재(4905)는 암들(4910a 및 4910b)이 분리되게 팽창된다. 결합 재료(4710), 팽창 부재(4905) 및 암들(4910a, 4910b) 사이의 공간의 특성들은 팽창 부재(4905)의 팽창이 용융된 결합 재료(4710)의 표면 장력을 극복하는데 충분한 거리로 암들(4910a, 4910b)을 분리하는 것이다. 결합 재료(4710)는 단자들 사이의 조인트로부터 흘러나와 배터리 전지들 사이의 전기적 연결을 효과적으로 끊는다.
도 50에 도시된 상호연결은 도 49에 도시된 것과 유사하다. 이들 사이의 중요한 차이는 단자들(5000a 및 5000b)의 모양이다. 더욱 구체적으로, 단자들(5000a 및 5000b)은 단자들(4900a 및 4900b)의 외부로 연장된 암들(4910a 및 4910b)와 반대로 내부로 연장된 암들(5005a 및 5005b)을 포함한다.
도 51에 도시된 상호연결은 도 49와 도 50에 도시된 것과 유사하다. 이들 사이의 중요한 차이는 단자들(5000a 및 5000b)의 모양이다. 더욱 구체적으로, 도 51에 도시된 상호연결은 단자(5000b)의 내부로 연장된 암(5005b)과 전기적으로 연결된 외부로 연장된 암(4910a)을 가진 단자(4900a)를 포함한다. 전기 절연 부재(5105)는 결합 재료(4710)가 용융되어 암들(4910a 및 5005b) 사이의 조인트로부터 흘러나오는 경우 단자들(4900a 및 5000b)이 서로 전기적으로 분리되게 하는 것을 돕는다.
상기한 대로, 상호연결 구조들은 배터리 전지들(300a 및 300b) 사이의 과전류 상태에 의해 발생하는 고도하게 높은 온도하에서 용융하는 단자들 사이에 결합 재료를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 선택적으로, 상호연결 구조들에 단자들 사이의 조인트와 상호작용하는 화학물질들을 방출하여 단자들이 이런 과도하게 높은 온도 상태하에서 서로 기계적으로 및 전기적으로 분리되게 하는 하부구조들이 제공될 수 있다. 도 52 및 53은 각각 도 40 및 41에 도시된 상호연결 구조들에 사용된 이런 하부구조들을 예를 도시한다.
도 52에서, 커넥터(4005a)는 배터리 전지(300a)에 연결되는 반면 커넥터(4005b)는 배터리 전지(300b)에 연결된다. 가로지르는 암들(4000a 및 4000b)은 연결 영역(4015)에서 서로 결합하는 개개의 아치 부분(4010a 및 4010b)에서 끝난다. 아치 영역들(4010a 및 4010b)은 정상 작동 상태하에서 커넥터(4005a 및 4005b) 사이의 기계적 및 전기적 상호연결을 촉진하는데 충분히 강하다. 그러나, 이런 재료 영역들의 얇아짐은 가로지르는 부재들(4000a 및 4000b) 사이의 연결이 자동차사고/충돌 동안 발생하는 힘들을 받을 때 분리되는 약한 연결 구조를 만든다.
연결 영역(4015)과 상호작용하는 화학물질들을 방출하는 하부구조의 한 실시예는 5205에 일반적으로 도시된다. 이런 실시예에서, 하부구조(5205)는 화학적으로 반응하는 재료(5215)를 함유하는 외부 케이스(5210)를 포함한다. 케이스(5210)는 일반적으로 원형 단면을 가지며 아치 영역(4010a 및 4010b) 내에 맞도록 만들어진다. 다른 단면 모양들은 사용된 단자들의 구체적인 구조에 따라 사용될 수 있다. 예를 들어, 케이스 재료는 암들(4005a 및 4005b)의 재료들과 결합할 수 있어야 한다. 또한, 케이스 재료는 화학적으로 반응하는 재료(5215)와 반응하지 않아야 한다. 게다가, 케이스 재료가 용융하기 시작하는 온도는 과전류 상태 동안 발생하는 온도에 근접해야 한다. 케이스 재료는 합성 수지, 고무, 세라믹 등일 수 있다. 바람직하게는, 케이스는 과다온도 필요조건들에 따라, 100℃ 내지 350℃ 사이의 용융 온도를 가진 플라스틱 및/또는 고무 화합물로 형성된다. 이런 재료들은 PP, PE, ABS, PPO, PPS, PTFE 및 PEEK를 포함할 수 있다.
화학적으로 반응하는 재료(5215)는 과전류 온도에서 액체인 것이 바람직하다. 화학적으로 반응하는 재료는 정상 작동 온도에서 고체이거나 아닐 수 있다. 예를 들어, 화학적으로 반응하는 재료는 연결 영역(4015)에 있는 재료와 반응하는 산성 또는 염기성 화학용액일 수 있다. 바람직하게는, 화학물질은, 예를 들어, NaOH를 포함하는 기본 화학물질이다.
정상 상태에서, 암들(4000a 및 4000b)의 온도는 상호연결 영역(4015)에 있는 임의의 물질의 용융점 이하뿐만 아니라 화학적으로 반응성 있는 원소(5205)의 케이스(5210)의 용융점 이하이다. 과전류 상태 때문에 온도가 증가함에 따라, 케이스(5210)는 용융하기 시작한다. 케이스(5210)가 용융함에 따라, 화학적으로 반응성 있는 원소(5205)가 방출되고 암들(4000a 및 4000b)의 재료들뿐만 아니라 상호연결 영역(4015)에 있는 임의의 재료와 맞물린다. 방출된 화학물질은 상호연결 영역(4015), 암들(4000a) 및/또는 암들(4000b)에 있는 재료와 반응한다. 반응은 파괴적이고 암들(4000a) 및/또는 암들(4000b)을 서로 전기적으로 분리시킨다.
도 53에서, 커넥터(4105a)는 배터리 전지(300a)에 연결되는 반면 커넥터(4005b)는 배터리 전지(300b)에 연결된다. 가로지르는 암들(4100a 및 4100b)은 커넥터(4105a 및 4105b)가 서로 기계적으로 및 화학적으로 연결되는 영역(4110)에서 서로 겹친다. 각각의 가로지르는 암들(4100a 및 4100b)은 가로지르는 암을 형성하는 재료가 얇아지는 개개의 아치 영역(4115a, 4115b)을 포함한다. 가로지르는 암들(4100a 및 4100b)은 정렬되어 아치 영역(4115a 및 4115b)이 연결 영역(4110)에서 서로 위에 가로 놓인다. 최종 구조는 정상 작동 상태하에서 커넥터(4105a 및 4105b) 사이의 기계적 및 전기적 상호연결을 촉진하는데 충분히 강하다. 그러나, 결합된 아치 영역(4115a 및 4115b)에서 재료 영역들의 얇아짐은 가로지르는 부재들(4000a 및 4000b) 사이의 연결이 자동차사고/충돌 동안 발생하는 힘들을 받아 분리되는 약한 연결 구조를 만든다.
도 52에서와 같이, 도 53의 상호연결 구조는 과다온도/과전류 상태하에서 연결 영역(4110)과 상호작용하는 화학물질들을 방출할 수 있는 하부구조(5205)를 포함한다. 하부구조(5205)는 화학적으로 반응하는 재료(5215)를 함유하는 외부 케이스(5210)를 포함한다. 케이스(5210)는 일반적으로 원형 단면을 가지며 아치 영역(4115a 및 4115b) 내에 맞도록 만들어진다. 영역(4110)에 대한 하부구조(5205)의 작업은 도 52와 관련하여 기술된 작업과 실질적으로 유사하다.
도 52 및 53에 도시된 상호연결 구조들은 배터리들(300a 및 300b)을 연결하는 단자들의 암들의 수평 배열을 기초로 한다. 그러나, 도 5205에 일반적으로 도시된 형태의 하부구조는 다른 상호연결 구조 배향에서 사용될 수 있다는 것을 알 것이다. 이런 교대하는 배향에서, 하부구조(5205)는 반응성 재료(5215)가 방출되어 단자들 사이의 전기적 연결을 끊도록 제조되고 단자들과 배열된다. 또한, 하부구조(5205)는 단자들 사이의 전기 연결을 끊기 위해서 단자들 중 하나의 것에 위치될 수 있다.
과전류 보호는 배터리들(300a 및 300b)의 단자들 사이에 전도성 액체의 제거를 기초로 할 수 있다. 더욱 구체적으로, 전도성 액체는 정상 작동 상태하에서 배터리들(300a 및 300b)의 단자들 사이에 존재하여 단자들은 전류을 전달하기 위해 서로 전기적으로 상호연결된다. 전도성 액체는 단자들의 온도가, 예를 들어, 과전류 상태 또는 다른 시스템 고장에 의해 상승할 때 배터리들(300a 및 300b)의 단자들 사이로부터 유출된다.
도 54는 이런 원리를 기초로 한 과전류 보호 하부구조의 한 실시예를 도시한다. 이런 실시예에서, 단자(5400a)는 배터리 전지(300a)에 연결되고 단자(5400b)는 배터리 전지(300b)에 연결된다. 단자들(5400a 및 5400b)은 격리 영역(5403)에서 서로 기계적으로 분리된다. 단자들(5400a 및 5400b) 사이의 전기적 연결은 상호연결 하부구조(5405)를 사용하여 형성된다. 상호연결 하부구조(5405)는 그 안에 액체 도체(5415)를 담고 있는 케이스(5410)를 포함한다. 액체 도체(5415)는 영역(5403)에서 단자들(5400a 및 5400b) 사이에 전기적 연결을 형성한다. 금속들, 금속 합금들 및 전도성 용액들이 액체 도체(5415)로 사용될 수 있다. 바람직하게는, 액체 도체(5415)는 수은 또는 Na-K 합금이다. 케이스(5405)는 일반적으로 원형 단면을 가지나, 다른 단면 모양들도 사용된 단자들의 구체적인 구조에 따라 사용될 수 있다. 게다가, 케이스 재료가 용융하기 시작하는 온도는 과전류 상태 동안 발생하는 온도에 근접해야 한다. 케이스 재료는 합성 수지, 고무, 세라믹 등일 수 있다. 바람직하게는, 케이스는 과다온도 필요조건들에 따라, 100℃ 내지 350℃ 사이의 용융 온도를 가진 플라스틱 및/또는 고무 화합물로 형성된다. 이런 재료들은 PP, PE, ABS, PPO, PPS, PTFE 및 PEEK를 포함할 수 있다.
정상 상태하에서, 암들(5400a 및 5400b)의 온도는 케이스(5410)의 용융점 이하이고 액체 도체(5415)는 영역(5403)에 보유되어 단자들(5400a 및 5400b) 사이에 전류 흐름을 용이하게 한다. 과전류 상태에 의해 온도가 증가할 때, 케이스(5410)는 용융하기 시작한다. 케이스(5410)가 용융함에 따라, 액체 도체(5415)는 케이스(5410)로부터 방출되어 회로 영역(5403)을 개방한다. 단자들(5400a 및 5400b)을 통한 배터리들(300a 및 300b) 사이의 추가 전류 흐름은 멈춘다.
도 55 내지 57b는 과전류 보호가 배터리들(300a 및 300b)의 단자들 사이에 전도성 액체의 제거를 기초로 하는 상호연결 구조의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 5500에 일반적으로 도시된 과전류 보호 하부구조는 각각의 배터리 전지로부터 수평하게 연장된 단자들과 작동하도록 제조된다. 도시된 대로, 단자(5400a)는 배터리 전지(300a)와 연결되고 이로부터 수평하게 연장된다. 단자(5400b)는 배터리 전지(300b)와 연결되고 이로부터 수평하게 연장된다. 각각의 단자들(5400a 및 5400b)은 개개의 배터리로부터 과전류 보호 하부구조(5500)의 전도 챔버(5505) 속으로 연장된다. 수집 챔버(5510)는 전도 챔버(5505) 아래에 배치된다. 전도 챔버(5505) 및 수집 챔버(5510)는 플라스틱, 고무, 세라믹 등과 같은 절연 재료로 제조된다. 정상적인 배터리 시스템 작동 동안, 전도 챔버(5505) 및 수집 챔버(5510)는 한 챔버로부터 다른 챔버로의 누설을 방지하는 방식으로 밀봉된다.
보호 하부구조(5500)는 여러 다른 방식으로 결합될 수 있다. 도 56은 한 방식을 도시한다. 도 56에서, 하부구조(5500)는 두 부분(5600a 및 5600b)로 형성된다. 부분(5600a)은 단자(5400a)와 연결되고 이와 밀봉된다. 부분(5600b)은 단자(5400b)와 연결되고 이와 밀봉된다. 각각의 부분(5600a 및 5600b)은 전도 챔버(5505)의 절반과 수집 챔버(5510)의 절반을 포함한다. 부분(5600a 및 5600b)은 핫 멜트(hot melt) 연결, 고무 연결, 접착 연결, 용접 조인트 등을 사용하여 서로 결합될 수 있다. 부분(5600a 및 5600b)은 사출성형, 핫 멜트, 접착 결합, 침투제 밀봉 등을 사용하여 상응하는 단자들(5400a 및 5400b)와 밀봉될 수 있다. 부분들을 서로에게 및 단자들에 결합하기 위해 사용된 방법은 전도 챔버(5505) 또는 수집 챔버(5510)으로부터 어떠한 액체의 누설을 예방하는데 충분해야 한다.
도 57a 및 57b는 배터리 시스템의 정상 작동 동안 보호 하부구조(5500)를 통과한 단면도이다. 정상 작동 동안, 상기한 형태의 액체 도체(5415)는 전도 챔버(5505) 내에 포함되고 단자들(5400a 및 5400b) 사이에 전기적 연결을 만든다. 액체 도체(5415)는 전도 챔버(5505)의 상부에 배치된 개구부(5515)를 통해 전도 챔버(5505) 속에 주입될 수 있다. 일단 도체 챔버(5505)가 원하는 양의 액체 도체(5415)로 채워지면, 개구부(5515)는 마개 또는 다른 형태의 밀봉재로 밀폐될 수 있다.
전도 챔버(5505)는 전도 챔버(5505)로부터 수집 챔버(5510)로 액체 도체(5415)의 누설을 막기 위해 수집 챔버(5510)로부터 밀봉된다. 도 57b는 수집 챔버(5510)으로부터 전도 챔버(5505)를 밀봉하는 한 방식을 도시한다. 이 실시예에서, 전도 챔버(5505)는 전도 챔버(5505)를 수집 챔버(5510)로부터 격리하는 하부 챔버 벽(5705)에서 끝난다. 하부 챔버 벽(5705)은 격리 부재(5720)에 의해 정상적으로 밀봉된 흐름 개구부(5715)를 포함한다. 격리 부재(5720)는 과전류 보호가 작동하게 될 원하는 온도에 따라 약 100℃ 내지 350℃ 사이의 용융 온도를 가진 플라스틱 및/또는 고무 재료로 제조될 수 있다. 적절한 재료는, 예를 들어, PP, PE, ABS, PPO, PPS, PTFE 및/또는 PEEK를 포함한다.
과전류/배터리 고장 상태 동안, 액체 도체(5415)의 온도는 증가할 것이다. 온도가 격리 부재(5720)의 용융점에 도달함에 따라, 격리 부재(5720)는 전도 챔버(5505)로부터 수집 챔버(5510)를 밀봉하는데 비효과적이게 될 것이다. 액체 도체(5415)는 흐름 개구부(6015)를 통해 전도 챔버(5505)로부터 수집 챔버(5510)로 흐를 것이다. 흐름은 중력 및/또는 전도 챔버(5505)에서 증가된 압력에 의해 발생된 힘(예를 들어, 액체 도체(5415)의 과전류 온도로부터 얻은 힘) 하에서 일어날 수 있다. 액체 도체(5415)가 전도 챔버(5505)를 빠져나감에 따라, 액체 도체는 단자들(5400a 및 5400b) 사이의 개방된 회로 상태를 만들 것이다. 모든 액체 도체(5415)가 전도 챔버(5505)로부터 빠져나오게 하기 위해서, 수집 챔버(5510)의 부피는 전도 챔버(5505)의 부피와 적어도 동일하거나 커야 한다.
보호 하부구조(5500)는 쉽게 제조되고 쉽게 수리/재활용된다. 수집 챔버(5510)에 있는 액체 도체(5415)를 수집함으로써, 수리되거나 새로운 보호 하부구조(5500)에서 재사용될 수 있다. 이것은 액체 도체(5415)가 환경적으로 친화적이지 않은 경우에 특히 바람직하다. 또한, 보호 하부구조(5500)는 액체 도체(5415)를 전도 챔버(5505)로 다시 돌아가게 하고 밀봉 부재(5720)를 교환함으로써 쉽게 수리될 수 있다.
도 58 내지 60은 과전류 보호가 배터리들(300a 및 300b)의 단자들 사이에 전도성 액체의 제거를 기초로 하는 상호연결 구조의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 5800에 일반적으로 도시된 과전류 보호 하부구조는 각각의 배터리 전지로부터 수평하게 연장된 단자들과 작동하도록 제조된다. 도시된 대로, 단자(5800a)는 배터리 전지(300a)와 연결되고 이로부터 수평하게 연장된다. 단자(5800b)는 배터리 전지(300b)와 연결되고 이로부터 수평하게 연장된다. 각각의 단자들(5800a 및 5800b)은 개개의 배터리로부터 과전류 보호 하부구조(5800)의 전도 챔버(5505) 속으로 연장된다. 수집 챔버(5810)는 전도 챔버(5805) 아래에 배치된다. 전도 챔버(5805) 및 수집 챔버(5810)는 플라스틱, 고무, 세라믹 등과 같은 절연 재료로 제조된다. 정상적인 배터리 시스템 작동 동안, 전도 챔버(5805) 및 수집 챔버(5810)는 한 챔버로부터 다른 챔버로의 누설을 방지하기는 방식으로 밀봉된다.
보호 하부구조(5800)는 여러 다른 방식으로 결합될 수 있다. 도 59는 한 방식을 도시한다. 도 59에서, 하부구조(5800)는 두 부분(5900a 및 5900b)로 형성된다. 부분(5900a)은 단자(5900a)와 연결되고 이와 밀봉된다. 부분(5900b)은 단자(5800b)와 연결되고 이와 밀봉된다. 각각의 부분(5900a 및 5900b)은 전도 챔버(5805)의 절반과 수집 챔버(5810)의 절반을 포함한다. 부분(5900a 및 5900b)은 핫 멜트 연결, 고무 연결, 접착 연결, 용접 조인트 등을 사용하여 서로 결합될 수 있다. 또한, 부분(5900a 및 5900b)은 사출성형, 핫 멜트, 접착 결합, 침투제 밀봉 등을 사용하여 상응하는 단자들(5800a 및 5800b)와 밀봉될 수 있다. 부분들을 서로에게 및 단자들에 결합하기 위해 사용된 방법은 전도 챔버(5805) 또는 수집 챔버(5810)으로부터 어떠한 액체의 누설을 예방하는데 충분해야 한다.
도 60은 배터리 시스템의 정상 작동 동안 보호 하부구조(5800)를 통과한 단면도이다. 정상 작동 동안, 상기한 형태의 액체 도체(5415)는 전도 챔버(5805) 내에 포함되고 단자들(5800a 및 5800b) 사이에 전기적 연결을 만든다. 액체 도체(5415)는 전도 챔버(5805)의 상부에 배치된 개구부(5815)를 통해 전도 챔버(5805) 속에 주입될 수 있다. 일단 도체 챔버(5805)가 원하는 양의 액체 도체(5415)로 채워지면, 개구부(5815)는 마개 또는 다른 형태의 밀봉재로 밀폐될 수 있다.
전도 챔버(5805)는 전도 챔버(5805)로부터 수집 챔버(5810)로 액체 도체(5415)의 누설을 막기 위해 수집 챔버(5810)로부터 밀봉된다. 도 60에서, 전도 챔버(5805)는 전도 챔버(5805)를 수집 챔버(5810)로부터 격리하는 하부 챔버 벽(6005)에서 끝난다. 하부 챔버 벽(6005)은 격리 부재(6020)에 의해 정상적으로 밀봉된 흐름 개구부(6015)를 포함한다. 격리 부재(6020)는 과전류 보호가 작동하게 될 원하는 온도에 따라 약 100℃ 내지 350℃ 사이의 용융 온도를 가진 플라스틱 및/또는 고무 재료로 제조될 수 있다. 적절한 재료는, 예를 들어, PP, PE, ABS, PPO, PPS, PTFE 및/또는 PEEK를 포함한다.
과전류/배터리 고장 상태 동안, 액체 도체(5415)의 온도는 증가할 것이다. 온도가 격리 부재(6020)의 용융점에 도달함에 따라, 격리 부재(6020)는 전도 챔버(5805)로부터 수집 챔버(5810)를 밀봉하는데 비효과적이게 될 것이다. 액체 도체(5415)는 흐름 개구부(6015)를 통해 전도 챔버(5805)로부터 수집 챔버(5810)로 흐를 것이다. 흐름은 중력 및/또는 전도 챔버(5805)에서 증가된 압력에 의해 발생된 힘(예를 들어, 액체 도체(5415)의 과전류 온도로부터 얻은 힘) 하에서 일어날 수 있다. 액체 도체(5415)가 전도 챔버(5805)를 빠져나감에 따라, 액체 도체는 단자들(5800a 및 5800b) 사이의 개방된 회로 상태를 만들 것이다. 모든 액체 도체(5415)가 전도 챔버(5805)로부터 빠져나오게 하기 위해서, 수집 챔버(5810)의 부피는 전도 챔버(5805)의 부피와 적어도 동일하거나 커야 한다. 도 12 및 13은 주위 온도가 소정의 역치 이하로 떨어질 때 배터리 전지(300)의 코어를 최적의 작동 온도에 이르게 하도록 사용할 수 있는 연결 구조(1200)를 도시한다. 연결 구조(1200)는 굽은 커넥터(800)에 고정되는 세라믹 히터와 같은 가열 장치(1205)를 포함한다. 열 전도성 재료의 층(1210)은 굽은 커넥터(800)와 가열 장치(1205) 사이에 배치된다. 가열 장치(1205)는 L-모양과 단면을 가질 수 있고 인접 배터리 전지와 전기 컨택을 형성하기 위해 사용된 표면 반대에 굽은 커넥터(800)의 표면과 일치하는 치수로 만들어질 수 있다. 층(1210)은 도전성 가열 장치, 전기 절연체 및/또는 가열 장치(1205)와 굽은 커넥터(800) 사이에 접착제로 작용하는 열 전도성 고무와 같은 재료로 형성될 수 있다. 부가적으로 또는 선택적으로, 굽은 커넥터(800)와 가열 장치(1205)는 PA66과 같은 전기 절연체로 형성된 기계적 패스너를 사용하여 서로 고정될 수 있다.
도 13은 온도 상태가 코어가 소정의 온도 역치에 있거나 이하로 떨어진다는 것을 나타낼 때 배터리 전지(300)의 코어의 온도를 올리기 위해 사용될 수 있는 시스템을 도시한다. 도시된 대로, 시스템은 코어 가열을 위한 요구와 관련된 온도를 관찰하기 위해 배치된 온도 센서(1305)를 포함한다. 온도 센서(1305)는 자동차의 주위 온도, 배터리 시스템 환경의 주위 온도, 배터리 전지(300)의 온도 및/또는 다른 원하는 온도를 관찰하기 위해 배치될 수 있다. 온도 정보는 제어 시스템(1310)에 제공된다. 제어 시스템(1310)은 센서(1305)에 의해 탐지된 온도가 소정의 역치 이하로 떨어질 때를 측정하기 위해 온도 센서 정보를 사용한다. 이것이 일어날 때, 제어 시스템(1310)은 가열 장치(1205)에 전력을 가한다. 전력은 자동차 기체 동력 엔진에 연결된 발전기 및/또는 배터리 에너지 시스템에 의해 제공될 수 있다. 가열 장치(1205)는 층(1210)을 통해 굽은 커넥터(800)에 전달되는 열을 발생시킴으로써 전력에 반응한다. 굽은 커넥터(800)는 배터리 전지(300)의 내부로 열을 전달하는 열 전도성 장치로 작용하여 휘감긴 코어(200)의 온도를 높인다.
도 14a는 굽은 커넥터(800)에 배터리 전지(300)의 여러 코어 구조(1450)를 연결하는 한 방식을 도시한다. 이런 실시예에서, 여러 코어 구조(1450)는 코어(200)의 방식으로 각각 제조되는 3개의 개별 코어를 포함한다. 간단하게 하기 위해서, 동일한 기본 구조가 여러 코어 구조(1450)의 반대 말단을 상응하는 말단 커넥터(800)와 연결하기 위해 사용될 수 있으나, 배터리 전지(300)의 단지 한 말단만 도시된다.
도 14a에서, 여러 코어 구조(1450)는 직사각형 보호 셸(305) 내에 배치된다. 말단 커버 어셈블리(335)는 셸(305)의 말단에 있는 개구부와 맞물리고 개구부를 밀봉한다. 전기 절연 재료로 형성된 개스킷(1405)은 셸(305) 내에 배치되고 여러 코어 구조(1450)의 말단과 말단 커버 어셈블리(335) 사이에 위치한다. 굽은 커넥터(800)는 말단 커버 어셈블리(335)를 통해 배터리 셸(305)의 내부 속으로 연장되어 셸(305)을 통해 수직으로 이어지는 중앙선으로부터 벗어나게 된다.
개스킷(1405)의 평면도는 도 15에 도시된다. 개스킷(1405)는 3개의 개구부(1505, 1510 및 1515)를 포함한다. 각 개구부는 개구부의 각 측면에 배치된 윤곽을 이루는 요소들의 개별 세트에 의해 형성된다. 개구부(1505)는 윤곽을 이루는 요소들(1520 및 1525)에 의해 형성되고 개구부(1510)는 윤곽을 이루는 요소들(1525 및 1530)에 의해 형성되고, 개구부(1515)는 윤곽을 이루는 요소들(1530 및 1535)에 의해 형성된다. 각각의 윤곽을 이루는 요소들(1525 및 1530)은 서로 분리되어 개구부(1510)는 개구부(1515 및 1520)보다 더 크다. 그 결과, 윤곽을 이루는 요소(1525)의 평면은 굽은 커넥터(800)가 자동차 충돌 동안 발생할 수 있는 것과 같은 엄청난 힘들 하에서 코어(200) 쪽으로 움직이는 경우에 코어(200)의 보호를 촉진하도록 위치된다.
도 14a를 다시 참조하면, 집전 장치 긴 조각(1415)은 여러 코어 구조(1450)의 각 코어(200)의 양극(또는 음극)으로부터 연장된다. 각각의 집전 장치 긴 조각(1415)은 각 코어(200)의 양극(또는 음극)의 기판층들을 형성하는 호일층들과 같은 하나 이상의 호일층으로 형성될 수 있다. 비록 각각의 집전 장치 긴 조각(1415)이 단일 호일층으로 도시되나, 각각의 집전 장치 긴 조각(1415)은 이들이 여러 코어 구조(1450)의 각각의 코어(200)의 양극(또는 음극)으로부터 연장됨에 따라 서로 그룹을 이루는 여러 호일층으로 형성될 수 있다. 도 14a에서, 여러 코어 구조(1450)의 개개의 코어(200)의 양극(또는 음극)으로부터 연장되는 3개의 집전 장치 긴 조각(1415a, 1415b 및 1415c)이 존재한다. 이런 집전 장치 긴 조각은 개개의 개구부(1505, 1510 및 1515)를 통해 개스킷(1405)의 구멍(1420) 속으로 연장된다. 구멍(1420) 내에서, 각각의 집전 장치 긴 조각(1415a, 1415b 및 1415c)은 개개의 유연한 집전 장치 호일(1425a, 1425b 및 1425c)에 전기적으로 및 기계적으로 결합된다. 초음파 용접, 저항 용접, 레이저 용접 및/또는 다른 접합 공정을 포함하나 이에 제한되지 않는 여러 연결 공정들이 구조들을 연결하는데 사용될 수 있다.
도 14a에 도시된 대로, 커넥터 호일(1425a, 1425b 및 1425c)은 굽은 커넥터(800)의 공통 면에서 결합하기 위해 구멍(1420) 내에 휘감긴다. 커넥터 호일(1425b 및 1425c)은 구멍(1420)의 제 1 측면 내에 휘감기는 반면 커넥터 호일(1425a)은 구멍(1420)의 제 2 측면 내에 휘감긴다. 구멍(1420)의 제 1 측면은 셸(305)의 세로 중앙선에 대해 커넥터(800)가 벗어나기 때문에 구멍(1420)의 제 2 측면보다 크다. 결과적으로, 커넥터 호일(1425b 및 1425c)은 커넥터 호일(1425a) 보다 커넥터(800)와 고정하기 위해 휘감기는 더 많은 공간을 가진다. 따라서, 커넥터 호일(1425b 및 1425c)이 굽어지는 각도들은 비교적 점진적이다. 점진적인 굽힘 각도들은 급격한 굽힘 각도들보다 더욱 바람직하고 상응하는 커넥터 호일의 파괴를 덜 일으킨다. 그러나, 커넥터 호일(1425a)은 구멍(1420)의 더 작은 부분에 배치된다. 이와 같이, 커넥터 호일(1425a)은 커넥터(800)에 대한 연결을 위해 휘감기기 위해서 더욱 급격한 굽힘 각도를 필요로 할 수 있다. 급격한 굽힘 각도들은 상당한 기계적 및 열적 피로를 받아서 커넥터 호일(1425a)의 파괴를 일으킬 수 있다.
커넥터 호일(1425a)의 굽은 구조에 더 많은 신뢰성을 주기 위해서, 코일 유도 부재(1430)는 커넥터 호일(1425a)에 결합된다. 코일 유도 부재(1430)는 결합 부분(1435)과 둥근 부분(1440)을 포함한다. 결합 부분(1435)은 다른 커넥터 호일(1425b 및 1425c)과 연결을 위해 외부에 있는 커넥터 호일(1425a)과 고정된다. 둥근 부분(1440)은 커넥터 호일(1425a)이 굽은 커넥터(800)에 접근함에 따라 점진적인 각도로 굽게 하는 모양과 지름을 가져서 커넥터 호일(1425a)의 신뢰성을 증가시킨다. 또한, 코일 유도 부재(1430)는 개스킷(1405)의 측벽을 향해 집전 장치(1415a) 및 커넥터 호일(1425a)을 움직이는 치수로 만들어질 수 있다. 이런 방식으로, 집전 장치(1415a) 및 커넥터 호일(1425a)은 배터리 전지(300)가 진동할 때 일어나 수 있는 것과 같은 운동을 경험하지 않는다. 유사하게, 커넥터 호일(1425b 및 1425c)의 길이는 상응하는 굽은 구조가 챔버(1420) 내에 이런 구성요소들의 진동을 제한하도록 선택될 수 있다. 배터리 전지(300)의 신뢰성과 안정성은 이런 구조들에 의해 증가한다.
코일 유도 부재(1430)의 사용은 세 이상의 커넥터 호일을 가진 어셈블리들뿐만 아니라 셋 미만의 커넥터 호일을 가진 어셈블리들까지 연장될 수 있다. 각각의 경우에, 코일 유도 부재(1430)는 연결을 위해 굽은 커넥터(800) 아래 및 주위를 휘감는 커넥터와 반대로 굽은 커넥터(800)에 연결되는 측면 상에서 굽은 커넥터 호일에 고정되는 것이 바람직하다. 또한, 다른 코일 유도 부재들은 이런 커넥터 호일들의 불필요한 굽힘을 막기 위해 커넥터 호일(1425b 및 1425c)로 고정될 수 있다.
도 14b는 굽은 커넥터(800)에 배터리 전지(300)의 코어를 연결하는 한 방식을 도시한다. 이런 실시예에서, 단지 하나의 코어(200)가 사용된다. 따라서, 단지 하나의 집전 장치(1415)는 굽은 커넥터(800)와 전기적 연결을 위해 코어(200)로부터 연장된다. 굽은 커넥터(800)에 도달하기 위해 연결 호일(1425)에 형성될 필요가 있는 각도를 줄이기 위해서, 집전 장치(1415)는 굽은 커넥터(800)로부터 가장 멀리 있는 개구부(1515)를 통과해 배치된다. 모든 다른 태양들에서, 도 14b의 말단 커버(300)는 도 14a에 도시된 것과 동일하다.
개스킷(1405)은 보호 셸(305)에 있는 상응하는 홈들과 맞물리는 탭들(1410)을 포함할 수 있다. 탭들(1410)은 셸(305)에서 개스킷(1405)을 고정하기 위해 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 선택적으로, 개스킷(1405)은 용접, 하나 이상의 기계적 패스너, 접착제 또는 다른 연결 매커니즘을 통해 보호 셸(3050) 내에 고정될 수 있다.
개스킷(1405)은 여러 다른 방식으로 코어(200)를 보호하는 것을 돕는다. 예를 들어, 코어(200)에 가장 가까운 개스킷(1405)의 부분은 보호 셸의 내부에서 적절한 세로 배열로 코어(200)를 유지하는 것을 돕는다. 오프셋 윤곽을 이루는 부재(1525)는 커넥터(800) 및 이의 측면에서의 연결이 사고 또는 기계적 고장 동안 코어(200)와 접촉하는 것을 예방하는 것을 돕는다. 윤곽을 이루는 부재들(1520, 1525, 1530 및 1535)에 의해 제공된 개구부들의 좁아짐은 배터리 전지(300)의 제조 동안 집전 장치들(1415a, 1415b 및 1415c)을 챔버(1420) 속으로 유도하는 것을 돕는다. 또한, 개스킷(1405)은 휘감긴 코어(200)에 대한 보호를 증가시키기 위해 보호 셸(305)을 강화하는 것을 돕는다.
도 16 및 17은 보호 셸(305)의 말단을 말단 커버 어셈블리(325)로 밀봉하는 한 방식을 도시한다. 도 16은 말단 커버 어셈블리(325)의 가로지르는 부분을 통과한 단면도이고 도 17은 말단 커버 어셈블리(325)의 세로 부분을 통과한 단면도이다.
말단 커버 어셈블리(325)는 커버판/말단 캡(1605), 집(1610), 커넥터(800) 및 밀봉 재료(1615)를 포함한다. 말단 커버 어셈블리(325)를 제조하기 위해서, 커버판(1605) 및 집(1610)을 서로 용접하여 통합 구조를 형성한다. 용접 작업은 레이저 용접, 아르곤 아크 용접 및 다른 용접 공정을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 커버판(1605) 및 집(1610)은 스테인리스 강으로 형성될 수 있다. 일단 커버판(1605) 및 집(1610)이 서로 용접된 후, 배터리 전지의 내부로부터 외부로 연장되는 커넥터(800) 위에 놓일 수 있다. 각 커버 어셈블리(325)는 커버판(1605), 집(1610), 커넥터(800) 및 밀봉 재료(1615)를 포함한다. 말단 커버 어셈블리(325)를 제조하기 위해서, 커버판(1605) 및 집(1610)을 서로 용접하여 통합 구조를 형성한다. 용접 작업은 레이저 용접, 아르곤 아크 용접 및 다른 용접 공정을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 커버판(1605) 및 집(1610)이 서로 용접된 후 발생하는 제조 작업은 열이 집중되지 않는다. 결과적으로, 배터리 전지의 다른 구성요소들이 말단 커버 어셈블리(325)의 제조의 결과로 손상을 입을 가능성은 감소한다.
커버판(1605) 및 집(1610)은 스테인리스 강으로 형성될 수 있다. 추가 가공 전에, 밀봉 재료(1615)에 의해 접촉될 커버판(1605), 집(1610) 및 커넥터(800)의 표면들은 이런 구조들과 밀봉 재료(1615) 사이의 접착을 증가시키기 위해 마모될 수 있다.
도 16 및 17을 참조하면, 커넥터(800)는 커넥터(800)의 반대 면들에 배치된 상부 채널(1620) 및 커넥터(800)의 반대 면들에 배치된 하부 채널(1625)을 포함한다. 상부 및 하부 채널들(1620 및 1625)은 커넥터(800)의 길이를 따라 실질적으로 연장된다. 채널들(1620)은 집(1610)의 내부로 연장되는 입구(1630)에 일반적으로 나란히 놓이도록 위치한다.
커넥터(800)는 커넥터의 폭을 통해 완전히 연장되는 복수의 비아홀(1635)을 포함한다. 도 16에 도시된 대로, 비아홀들(1635)은 집(1610)의 다른 세트의 내부로 연장되는 입구(1640)에 인접하게 위치한다. 도 17에 도시된 대로, 비아홀들(1635)은 커넥터(800)의 길이 및 채널들(1620 및 1625) 사이를 따라 여러 위치에 배치될 수 있다.
일단 커버판(1605) 및 집(1610)이 서로 용접된 후, 커넥터(800)는 집(1610)의 내부 채널 내에 이의 바람직한 위치를 향하며 밀봉 재료(1615)는 커넥터(800), 집(1610) 및 커버판(1605) 사이의 틈새 영역 속으로 주입된다. 밀봉 재료는 채널들(1620, 1625), 비아홀들(1635)뿐만 아니라 내부로 연장하는 입구(1630 및 1640) 주위 영역을 채우기 위해 고압 하에서 주입된다.
밀봉 재료(1615)는 플라스틱(예를 들어, PFA, PES, PPS, 변형 PP 등), 고무 화합물, 수지(예를 들어, 에폭시 수지, 페놀 알데하이드 변형 에폭시 수지 등), 응집 고무(예를 들어, 이중 구성요소 에폭시, 핫 멜트 고무 등)일 수 있다. 밀봉 재료(1615)는 전기 절연체이어야 하고 전해질과 염산에 대한 노출을 견딜 수 있어야 한다. 또한, 밀봉 재료(1615)는 커넥터(800), 집(1610) 및 커버판(1605)을 형성하는데 사용된 다양한 금속(예를 들어, 구리 , 알루미늄, 스테인리스 강 및 다른 금속)과 결합할 수 있어야 한다.
밀봉 재료(1615)는 집(1610)의 상부 이상으로 연장된다. 더욱 구체적으로, 밀봉 재료(1615)는 집(1610)과 커넥터(800) 사이의 내부 영역을 채우고 집(1610)의 외부를 둘러싸서 보호 플랜지(1645)를 형성한다. 보호 플랜지(1645)는 밀봉재의 완전한 상태를 추가로 강화시킨다. 또한, 보호 플랜지(1645)는 커넥터(800)에 전달될 수 있는 진동력 및 충격력의 일부를 흡수할 수 있다.
도 61에 도시된 대로, 말단 커버 어셈블리(325)는 말단 커버 어셈블리(325)의 다른 부재들의 가장 바깥쪽 부분과 일치하는 다른 보호 커버(6105)를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 보호 커버(6105)는 커버판(1605)의 외부 표면을 따라 연장되고 커버판(1605)의 외부 표면과 일치하는 제 1 부분(6115)을 포함한다. 커버판(1605)은 제 1 부분(6115)의 상응하는 플랜지(6125)와 맞물리는 커버판 플랜지(6120)를 포함할 수 있다. 보호 커버(6105)는 제 1 부분(6115)으로부터, 예를 들어, 약 90°의 각도에서 연장되는 제 2 부분(6110)을 포함한다. 제 2 부분(6110)은 집(1610)과 보호 플랜지(1645)의 외부 표면 주위에서 연장되고 집(1610)과 보호 플랜지(1645)의 외부 표면과 일치하고 단자(800)가 통과하여 돌출되는 개구부(6130)에서 끝난다. 바람직하게는, 제 2 부분(6110)은 개구부(6130)에 있는 단자(800)로 밀봉된다. 또한, 제 2 부분(6110)은 보호 플랜지(1645)와 맞물리는 내부 플랜지(6140)를 포함한다. 내부 플랜지(6140) 아래 제 2 부분(6110)의 영역은 보호 플랜지(1645)가 커버판(1605)에 대해 보호 커버(6105)를 고정하는 것을 돕기 위해 보호 커버(6105)에 대해 힘을 가하는 치수로 만들어질 수 있다.
보호 커버(6105)는 전기 절연체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 보호 커버(6105)는 플라스틱(예를 들어, PFA, PES, PPS, 변형 PP 등), 고무 화합물, 수지(예를 들어, 에폭시 수지, 페놀 알데하이드 변형 에폭시 수지 등)로 형성될 수 있다. 이런 재료들은 절연체, 내화제이고 배터리 전지의 전해질에 의해 쉽게 열화되지 않는다. 절연 재료들을 사용하여 보호 커버(6105)를 형성함으로써, 커버판(1605)에 대한 커넥터(800)의 물리적 변형(예를 들어, 자동차 충돌/사고 동안)에 의한 단락은 감소 및/또는 제거된다. 유사하게, 보호 커버(6105)는 배터리 전지와 다른 배터리 시스템 구조 사이의 원치 않는 전기 컨택을 피하기 위해 커버판(1605)의 모서리 부분 주위에서 연장될 수 있다.
보호 커버(6105)는 통합 구조 또는 여러 조각 구조로 형성될 수 있다. 도 62 및 63은 여러 조각의 보호 커버 구조를 도시하는 반면 도 64는 통합 보호 커버 구조를 도시한다.
도 62에서, 보호 커버(6105)는 두 개의 개별 보호 커버 절반(6200a 및 6200b)으로 형성된다. 각각의 절반(6200a 및 6200b)은 커버판(1605)의 외부 표면을 따라 연장되고 커버판(1605)의 외부 표면과 일치하는 치수로 만들어진 개개의 제 1 부분(6115a, 6115b)을 포함한다. 각각의 절반(6200a 및 6200b)은 상응하는 커버판 플랜지(6120)와 맞물리는 개개의 플랜지(6125a, 6125b)를 포함한다. 제 2 부분(6110a, 6110b)은 제 1 부분(6115a, 6115b)으로부터, 예를 들어, 약 90°의 각도에서 연장된다. 제 2 부분(6110)은 집(1610)과 보호 플랜지(1645)의 외부 표면 주위에서 연장되고 집(1610)과 보호 플랜지(1645)의 외부 표면과 일치하는 치수로 만들어진다. 개구부들(6130a, 6130b)은 각각의 절반(6200a, 6200b)을 통과해 배치되고 단자(800)가 이를 통해 돌출하게 하는 치수로 만들어진다. 제 2 부분(6110a, 6110b)은 보호 플랜지(1645)와 맞물리는 내부 플랜지들(6140a, 6140b)을 포함한다. 보호 플랜지(1645)는 커버판(1605)에 대해 보호 커버(6105)를 고정하는 것을 돕기 위해 내부 플랜지(6140a, 6140b)에 대해 힘을 가할 수 있다.
보호 커버 절반(6200a, 6200b)은 교합 구조들을 사용하여 서로 결합된다. 도 62에서, 절반(6200a)은 절반(6200b)의 직사각형 개구부(6205b)와 맞물리는 치수로 만들어진 직사각형 연장부(6205a)를 포함한다. 보호 커버(6105)를 말단 커버 어셈블리(325)에 사용함에 있어서, 절반(6200a 및 6200b)은 서로에 대해 측면으로 향할 수 있어서 내부 플랜지(6140a 및 6140b)는 보호 플랜지(1645)의 아랫면과 맞물린다. 동시에, 교합 구조들(6205a 및 6205b)은 이들이 실질적으로 또는 완전히 맞물릴 수 있다. 보호 커버(6105)의 치수와 특성들에 따라, 결합제는 보호 커버(6105)의 전체 완전한 상태를 증가시키기 위해 어셈블리 이전에 교합 구조들(6205a 및 6205b)의 각각의 외부 표면에 도포될 수 있다.
교합 구조들은 다양한 다른 모양들을 가질 수 있다. 도 63에서, 절반(6200a)은 절반(6200b)의 상응하는 타원형 개구부(6305b)와 맞물리는 치수로 만들어진 타원형 연장부(6305a)를 포함한다. 다른 교합 구조 모양(예를 들어, 삼각형, 사다리꼴 등)이 사용될 수 있다.
도 64에서, 보호 커버(6105)는 단일의 통합 구조로 형성된다. 이런 방식으로 형성될 때, 보호 커버 재료는 보호 커버가 단자(800) 위의 말단 커버 어셈블리(325)에 가해질 수 있도록 매우 탄성적인 것이 바람직하다.
보호 커버(6105)는 배터리 전지/단자의 특성들을 나타내는 시각 징후를 포함할 수 있다. 도 62-64에 도시된 보호 커버에서, 기둥 형태의 시각 표시기(6215)는 음극 단자 또는 양극 단자로서 상응하는 단자를 식별하기 위해 제공된다. 예시적 표시기(6215)는 음극 단자로서 상응하는 단자(800)를 식별한다.
도 17을 참조하면, 말단 커버 어셈블리(325)는 송풍구(1800)를 포함한다. 송풍구(1800)는 배터리 전지(300)의 내부 압력이 불안전한 수준에 도달하는 경우 배터리 전지(300)의 큰 파괴를 예방하도록 만들어진다. 이런 압력이 완화되지 않는 경우, 배터리 전지(300)는 폭발할 수 있다. 도 62 내지 64의 각각에서, 보호 커버(6105)는 보호 커버는 송풍구(1800)로부터 기체들 및/또는 다른 재료들의 방출을 막지 못하도록 송풍구(1800) 아래 놓인 배출구(6210)를 포함한다.
도 18은 말단 커버 어셈블리(325) 상에 사용될 수 있는 송풍 어셈블리(1800)의 한 실시예를 도시한다. 송풍 어셈블리(1800)는 통기 커버(1805), 파괴 핀(1810) 및 통기구 기부(1815)를 포함한다. 도시된 대로, 송풍 어셈블리(1800)는 커버판(1605)의 배출구(1820) 위에 고정된다.
통기 커버(1805)는 노출된 바닥 표면과 모서리 없는 사다리꼴 원뿔 형태일 수 있다. 복수의 배출구(1825)는 통기 커버(1805)의 측면을 통과해 배치된다. 배출구(1825)의 누적 면적은 개구부(1820)의 면적보다 커야한다. 파괴 핀(1810)은, 예를 들어, 스팟 레이저 용접을 사용하여 고정되는 통기 커버(1805)의 상부에 개구부를 통과해 연장된다.
도 18 및 19에 도시된 통기 기부(1815)는 환상 고리(1830) 및 플랜지(1835)를 포함한다. 변형가능한 막(1840)은 고리의 내부 개구부 위로 용접함으로써 원형 고리(1830)에 부착된다. 원형 고리(1830)의 폭은 이의 내부 개구부의 폭의 약 70% 미만이 바람직하다. 또한, 원형 고리(1830)의 입구(1845)의 폭은 배출구(1820)의 폭의 70%-80%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
변형가능한 막(1840)은 커버판(16050)과 동일한 재료(예를 들어, 알루미늄, 스테인리스 강 등)로 형성되는 것이 바람직하고 약 0.01mm - 0.1mm 사이의 두께, 바람직하게는 0.01mm 내지 0.05mm의 두께를 갖는다. 그러나, 변형가능한 막(1840)의 두께는 통기 어셈블리(1800)가 부러지는 과다 압력 수준을 기초로 조절될 수 있다. 변형가능한 막(1840)은 원형 고리(1830)의 개구부 위를 적절하게 밀봉하도록 마모될 수 있고 알루미늄 호일, 구리 호일 등과 같은 금속 호일로 형성될 수 있다.
밸브 기부(1815)는 레이저 또는 전자빔과 같은 고 에너지 빔을 사용하여 커버판(1605)에 용접된다. 통기 커버(1805)는 통기 기부(1815)와 고정되는 돌출 장식(1850)을 포함한다. 돌출 장식(1850)은 통기 커버(1805)의 통기 기부(1815)에 대한 고 에너지 빔 용접을 촉진하기 위해 그 주위에 분포되는 복수의 개구부(1855)를 포함한다.
배터리 전지(300) 내의 압력이 임계 수준에 도달함에 따라, 변형가능한 막(1840)은 파괴 핀(1810)의 방향으로 변형된다. 임계 압력에 도달하자마자, 변형가능한 막(1840)은 압력을 방출하기 위해 파괴 핀(1810)에 의해 뚫려 배터리 전지의 폭발을 예방한다. 변형가능한 막(1840)의 파괴가 일어나는 압력은 변형가능한 막(1840)과 파괴 핀(1810) 사이의 거리를 조정함으로써 조절될 수 있다. 또한, 파괴 핀(1810)의 모양은 다른 임계 압력들 하에서 다른 파괴 모드를 일으키는데 사용될 수 있다. 또한, 배터리 전지의 조립 작업 동안, 배터리 전지(300) 내의 옥기가 제조하는 동안 배출되는 경우, 막과 파괴 핀(1810) 사이의 거리를 증가시키는 변형가능한 막(1840)의 반대 변형이 존재한다. 이런 특성이 정상 배터리들의 빠른 제조와 생산 라인으로부터 비정상 배터리들의 안전한 제거를 용이하게 한다.
도 21 및 22는 다른 압력 완화 구조들(2100 및 2200)을 도시한다. 각각의 구조는 커버판(325)의 상응하는 배출구와 밀봉되게 배치될 수 있다. 제거 구조(2100)는 약한 홈(2110)을 가진 변형가능한 막(2105)으로 형성된다. 유사하게, 제거 구조(2200)는 약한 홈(2210)을 가진 변형가능한 막(2205)으로 형성된다. 구조들(2100 및 2200) 사이의 큰 차이들은 각 막의 모서리들에 의해 형성된 모양과 각 막에 배치된 약한 홈의 모양이다. 각각의 압력 완화 구조(2100 및 2200)의 변형가능한 막(2105 및 2205)의 치수들뿐만 아니라 각 약한 홈(2100 및 2210)의 깊이와 넓이는 개개의 구조가 부러져 배터리 전지의 폭발을 예방하는 특정 압력에 의존한다. 또 다른 압력 완환 구조는 배출구에 폴리머 밀봉 재료를 채우는 것을 포함하며, 폴리머 밀봉재는 소정의 압력 이상에서 부러지도록 만들어진다.
도 65-67은 송풍구(1800)의 다른 실시예를 도시한다. 도 65는 커버판(1605) 상에서 조립된 상태의 송풍구(1800)를 도시한다. 도 66은 송풍구(1800)의 확대도인 반면 도 67은 통기구의 단면도이다.
이 실시예에서, 송풍구(1800)는 커버판(1605)의 배출구(1820)를 둘러싸는 홈통(6610) 위에 배치되는 막(6605)을 포함한다. 홈통(6610)은 개구부(1820)를 형성하는 내부 가장자리(6625) 및 홈통(661)의 주변을 형성하는 외부 가장자리(6620)를 포함한다. 가장자리들(6620 및 6625) 사이의 반지름 차이는 배출구(1820)의 반지름의 약 10% 내지 15%일 수 있다.
막(6605)는 홈통(6610)의 외부 가장자리(6620) 내에 꼭 맞는 치수로 만들어진다. 예를 들어, 알루미늄, 알루미늄 합금, 강 또는 통기구(1800)에 대한 재료 파괴 필요조건을 만족하는 임의의 다른 재료를 포함하는 여러 재료가 막(6605)을 형성하는데 사용될 수 있다. 또한, 재료는 쉽게 용접될 수 있는 것으로 선택될 수 있다. 재료의 두께는 약 0.01mm 내지 0.1mm일 수 있다. 비록 도시된 막(6605)이 원형이나, 다른 모양(예를 들어, 직사각형, 타원형, 정사각형 등)이 사용될 수 있다.
안전 마스크(6615)는 막(6605) 위에 배치된다. 안전 마스크(6615)는 홈통(6610)의 외부 가장자리(6620)와 꼭 맞는 림(6630)을 포함하며, 하나 이상의 조인트(6705)에서 외부 가장자리(6620)에 용접된다. 사용될 수 있는 용접 기술들은, 예를 들어, 레이저 용접 및/또는 전자빔 용접을 포함한다.
왕관 부분(6635)은 막(6605)으로부터 멀어지는 방향으로 림(6630)으로부터 연장된다. 왕관 부분(6635)은 개구부(1820)의 반지름과 일반적으로 동일한 반지름을 가질 수 있다. 복수의 타원형 개구부(6640)는 왕관 부분(6635)의 측벽에 배치된다. 타원형 개구부(6640)의 전체 면적은 개구부(1820)의 면적과 대략 동일하거나 클 수 있다. 안전 마스크(6615)의 벽 두께는 약 0.1mm-0.5mm 사이일 수 있다.
상기 송풍구 구조는 여러 장점을 얻기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 구조의 어셈블리는 간단하고 경제적이다. 막(6605)과 안전 마스크(6615)가 개구부(1820) 위에 조립될 때, 어셈블리는 안전 마스크(6615)의 림(6630)을 홈통(6610)의 외부 가장자리(6620)에 용접함으로써 커버판(1605)에 쉽게 고정될 수 있다. 안전 마스크(6615)는 외부 힘들로부터 막(6605)을 보호하는 것을 도와서 전체 송풍구(1800)의 완전한 상태를 보장한다. 또한, 안전 마스크(6615)는 배터리 전지의 내부 압력이 안전 수준을 초과할 때 배터리 전지로부터 비-기체 재료들의 방출을 감소시키는데 사용될 수 있다.
도 23은 여러 배터리 전지들(300)이 서로 직렬로 연결되고 단일 하우징(2305) 내에 그룹을 이루는 배터리 팩(2300)의 블럭도이다. 단일 하우징(2305)에 있는 배터리 전지들(300)의 수는 8 내지 15로 변할 수 있고, 팩당 10개 배터리 전지가 바람직하다. 단자 커넥터들(2810)은 배터리 팩(2300)의 반대 말단들에 배치되고 다중 배터리 팩들(2300) 사이의 전기적 및 기계적 연결을 만들기 위한 수단을 제공하는데 사용된다. 하우징(2305)은 밀폐되게 밀봉되고 방수되나 이를 통해 더운 유체의 흐름을 수용할 수 있는 덕트들(2310)을 포함한다. 덕트들(2310)은 더운 유체의 흐름이 배터리 팩(2300)의 배터리 전지들(300)을 가열 또는 냉각하기 위해 커넥터(800)에 가장 인접하게 흐르도록 배터리 팩(2300)의 반대 면들 상에 측면으로 배치된다. 인접 배터리 전지들의 보호 셸들은 서로 직접 접촉되거나 절연판의 반대 면들에서 바로 인접하게 배치되는 점에서 서로 가장 인접할 수 있다.
도 24는 배터리 팩(2300)을 형성하는데 사용될 수 있는 하우징(2305)의 한 예의 확대도이다. 이 실시예에서, 하우징(2305)은 복수의 직렬로 연결된 배터리 전지들(300)을 포함한다. 배터리 전지들(300)은 도 23에 도시된 방식으로 서로 연결된다. 절연 재료로 제조된 격리판(2405)은 배터리 전지들(300)의 보호 셸들을 서로 전기적으로 격리하기 위해 각각의 배터리 전지(300) 사이에 배치된다. 그러나, 격리판들(2405)은 사용되지 않는 것이 바람직하다. 또한, 보호 셸들은 이들이 단일 열 장치를 형성하기 위해서 서로 직접 접촉되는 것이 바람직하다. 온도 제어는 쉽게 유지된다.
배터리 전지들(300)은 y-축을 따라 배터리 전지들(300)의 움직임을 제한하기 위해 하부판(2410) 및 상부판(2415) 사이에 배치된다. 배플(baffle) 구조들(2420)은 배터리 전지들(300)의 그룹의 각 측면 상에 배치되며 배터리 전지들(300)의 길이를 가로지르도록 배향된다. 배플 구조들(2420)은 x-축을 따라 배터리 전지들(300)의 반대 말단들에 배치된다. 측면판들(2425)은 배터리 전지들(300)의 반대 말단들에 배치되며 배터리 전지 그룹의 폭을 따라 연장된다. 측면판들(2425)은 z-축을 따라 배터리 전지들(300)의 움직임을 제한한다.
밀봉 요소들(2450)은 각각의 배플 구조(2420) 및 상부판과 하부판(2415, 2410) 사이뿐만 아니라 각각의 측면판(2425) 및 상부판과 하부판(2415, 2410) 사이에 위치할 수 있다. 이런 방식으로, 상부판 및 하부판(2415, 2410)은 교합 구성요소들과 방수 밀봉재를 형성한다. 이런 밀봉재는 배터리 전지(300)가 부러져 액체를 유출할 때 일어날 수 있는 단락을 예방하는 것을 돕는다.
배플 구조들(2420)은 원하는 기계적 강도, 열 열화 저항력, 저온 연성 및 자동차에서 배터리 및 환경 화학물질들에 대한 저항력을 가진 절연 플라스틱 재료로 제조된다. 배플 구조(2420)의 한 실시예는 도 25에 도시된다. 각각의 배플 구조(2420)는 배플판(2430), 배플 보강재(2435) 및 배플 구조(2420)의 모서리에 배치된 구멍들(2440)로 이루어진다. 구멍들(2440)은 배터리 전지들(300)을 그 사이에 고정하기 위해 배플 구조들(2420) 사이에 연장하는 상응하는 장력 막대들을 수용하게 만들어진다. 각각의 배플 구조(2420)의 전체 두께는 약 3mm 내지 15mm일 수 있다. 각각의 배플판(2430)의 두께는 약 3mm 내지 5mm일 수 있다. 각각의 배플 보강재(2435)의 두께는 약 5mm 내지 2mm일 수 있다. 배플 보강재(2435)는 배플 구조(2420)를 통해 수평 및 수직 힘들을 편평하게 분배하고 배터리 전지들(300)을 보호하는 배플 구조(2420)의 능력을 증가시킨다. 비아홀들은 배플 구조(2420)의 네 모서리에서, 나사와 같은 기계적 패스너들의 사용을 용이하게 하기 위해 미리-위치될 수 있다. 이런 기계적 고정은 상부판 및 하부판(2415, 2410)을 배플 구조에 연결하는데 편리하다. 상부판 및 하부판(2415, 2410)과 교합하도록 위치된 배플 구조(2420) 상에 L-모양 구조들이 있다. 상부판(2415)은 배플 구조(2420)의 상부 L-모양 구조 및 하부 L-모양 구조 사이에 위치된다. 구멍은 배플 구조(2420)의 상부판(2415) 및 상부 L-모양 구조 사이에 위치된다. 구멍은 상부판(2415) 및 배플 구조(2420) 사이에 움직임을 제한하는 핀을 수용하도록 만들어져 x-축과 y-축을 따라 배터리 전지들(300)의 움직임을 제한한다.
상부판 및 하부판(2415, 2410)은 원하는 기계적 및 화학적 특성들을 가진 플라스틱 절연 재료로 제조된다. 도 26에 도시된 대로, 상부판 및 하부판(2415, 2410)은 평판(2605), 보강재(2610) 및 구멍(2615)으로 구성된다. 구멍들(2615)은 상부판 및 하부판(2415, 2410) 사이에 연장되는 상응하는 장력 막대들을 수용하도록 만들어진다. 상부판 및 하부판(2415, 2410)의 각각의 전체 두께는 약 3mm 내지 15mm일 수 있다. 각각의 평판(2605)의 두께는 약 3mm 내지 5mm일 수 있다. 각각의 보강재(2610)의 두께는 약 5mm 내지 10mm이다. 보강재(2610)는 개개의 상부판 및 하부판(2415, 2410) 위에 수평 및 수직 힘들을 편평하게 분배하도록 만들어진다. 상부판 및 하부판(2415, 2410) 상의 미리-삽입된 볼트들은 상부판 및 하부판(2415, 2410)을 배플 구조들(2420)뿐만 아니라 측면판들(2425)과 접촉하는데 사용된다. 상부판(2410)의 내부 측면에서 돌출 장식은 y-축을 따라 배터리 전지들(300)의 움직임을 제한한다.
측면판들(2410)은 원하는 기계적 및 화학적 특성들을 가진 플라스틱 절연체 재료로 제조된다. 도 26에 도시된 대로, 각각의 측면판(2425)은 상부판(2415) 및 하부판(2410)이 서로 연결될 때 형성된 측면 개구부들과 일치하는 윤곽을 가진다.
배터리 팩 하우징(2305)은 여러 이유로 유익하다. 예를 들어, 배터리 팩 하우징(2305)은 모든 움직임 초과를 따라 배터리 전지들(300)의 움직임을 제한하여 배터리 팩(2300)의 신뢰성을 향상시키고 배터리 서비스 수명을 연장한다. 배터리 전지들(300)의 움직임은 배플 구조(2420)와 상부판 및 하부판(2415)을 배터리 팩(2300)이 차지하는 부피를 감소시키는 방식으로 설계함으로써 각 축을 따라 쉽게 제한될 수 있다. 절연 재료로 하우징(2305)을 형성함으로써, 단락의 위험은 감소하는데 이는 배터리 전지들(300)이 하우징(2305)을 통해 서로 전기적으로 연결되지 않기 때문이다. 또한, 하우징(2305)의 구성요소들을 형성하기 위해 플라스틱 재료를 사용함으로써, 배터리 팩(2300)의 중량은 감소한다. 또한, 단락이 배터리 전지 누설로 일어날 확률은 감소하는데 이는 밀봉 재료가 배터리 팩(2300)의 다양한 구성요소들 사이의 조인트들에 제공되어 배터리 팩으로부터 액체 누설을 예방하기 때문이다.
도 27은 인접 배터리 팩들(2300)을 기계적으로 및 전기적으로 상호연결하는데 사용되는 커넥터(2700)를 도시한다. 커넥터(2700)는 아치 모양, 여러 금속 호일(2715)에 의해 연결된 제 1 전도성 암(2705) 및 제 2 전도성 암(2710)을 포함한다. 아치 모양 호일(2715)은 약 0.01mm 내지 5.0mm의 두께를 가질 수 있고 용접을 편하게 하기 위해 구리 호일로 형성될 수 있다. 또한, 전도성 암들(2705 및 2710)뿐만 아니라 아치 모양 호일(2715)은 니켈, 알루미늄 또는 다른 금속으로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 전도성 암들(2705, 2710) 및 아치 모양 호일(2715)은 커넥터(2700)의 전체 전도성을 증가시키기 위해 동일한 재료로 제조된다. 아치 모양 호일(2715)의 형성은 복수의 얇은 금속판을 열 압축하면서 아치 모양 구조로 제조하는 것을 포함한다. 각각의 전도성 암(2705 및 2710)은 아치 모양 호일(2715)이 용접 및/또는 개개의 암에 열 압축되는 아치 모양 호일(2715)에 가장 인접한 L-모양 조인트(2720)를 포함한다. 각각의 전도성 암(2705, 2710) 및 아치 모양 호일(2715)의 크기는 커넥터(2700)를 사용하는 배터리 팩들의 전극 단자들의 크기뿐만 아니라 배터리 팩들 사이에 필요한 용량을 운반하는 전류에 의해 결정된다. 아치 모양 호일(2715)은 소정의 크기를 초과하는 충격력에 노출되어 파괴되어 배터리 팩을 인접 배터리 팩과 분리하는 치수로 만들어질 수 있다. 또한, 아치 모양 호일(2715)은 인접 배터리 팩들 사이의 전류가 소정 수준을 초과하는 경우 인접 배터리 팩들을 분리하기 위한 퓨즈로 작동하는 치수로 만들어질 수 있다.
도 68은 인접 배터리 팩들(2300)을 기계적으로 및 전기적으로 상호연결하는데 사용되는 다른 커넥터(2700)를 도시한다. 이 실시예에서, 커넥터(2700)는 아치 모양 금속 부재(6815)에 의해 연결된 제 1 전도성 암(6805) 및 제 2 전도성 암(6810)을 포함한다. 아치 모양 금속 부재(6815)는 마주보는 아치 모양 지지암들(6830) 사이에 연장되는 금속 메쉬(6825)로 형성될 수 있다. 금속 메쉬(6825)는 약 0.01mm 내지 5.0mm의 두께를 가질 수 있고 용접을 편하게 하기 위해 단일 형태의 금속 또는 여러 금속의 가닥으로 형성될 수 있다. 암들(6805, 6810)은 패스너들이 커넥터(2700)를 개개의 배터리 팩들에 연결하기 위해 통과해 연장되는 개구부들(6820)을 가진 금속판들로 형성될 수 있다. 전도성 암들(6805 및 6810)뿐만 아니라 아치 모양 금속 부재(6815)는 니켈, 알루미늄 또는 다른 금속으로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 전도성 암들(6805, 6810) 및 아치 모양 금속 부재(6815)는 커넥터(200)의 전체 전도성을 증가시키기 위해 동일한 재료로 제조된다. 각각의 전도성 암(6805, 6810) 및 아치 모양 금속 부재(6815)의 크기는 커넥터(2700)를 사용하는 배터리 팩들의 전극 단자들의 크기뿐만 아니라 배터리 팩들 사이에 필요한 용량을 운반하는 전류에 의해 결정된다. 아치 모양 금속 부재(6815)는 소정의 크기를 초과하는 충격력에 노출되어 파괴되어 배터리 팩을 인접 배터리 팩과 분리하는 치수로 만들어질 수 있다. 또한, 아치 모양 금속 부재(6815)는 인접 배터리 팩들 사이의 전류가 소정 수준을 초과하는 경우 인접 배터리 팩들을 분리하기 위한 퓨즈로 작동하는 치수로 만들어질 수 있다. 또한, 커넥터(2700)는 인접 배터리 팩들 사이의 어떠한 움직임을 기계적으로 완화하는데 충분하게 탄성적이도록 형성될 수 있다.
도 28은 어떻게 커넥터(27000)가 헤드-투-헤드 구조로 배열되는 다중 배터리 팩(2805a 및 2805b)을 연결하는데 사용되는 지를 도시한다. 그러나, 배터리 팩들(2805a 및 2805b)은 도 69에 도시된 사이드-투-사이드 방식으로 배열될 수 있다. 도시된 대로, 배터리 팩들(2805a 및 2805b)은 팩의 한 측면을 따라 배치된 한 쌍의 배터리 팩 단자들을 가지며, 한 단자는 측면의 각 말단에 위치한다. 배터리 팩 단자들은 자동차사고 등 동안 발생하는 엄청난 힘들을 받을 때 파괴되도록 만들어질 수 있다. 커넥터(2700)는 배터리 팩 단자들 사이에 기계적 연결뿐만 아니라 전기적 연결을 만들기 위해 배터리 팩의 각 말단에 사용된다. 간단히 하기 위해, 비록 동일한 구조가 다른 배터리 팩의 단자에 인접한 배터리 팩의 각 단자 사이에 사용될지라도, 단지 단자들(2810a 및 2810b)만 도시되고 논의된다. 배터리 팩들(2805a 및 2805b) 사이의 커넥터(2700)는 배터리 팩들(2805a 및 2805b) 사이에 상대적 이동이 있을 때 충격력들을 흡수하는 기계적 버퍼를 제공한다. 또한, 커넥터(2700)는 자동차사고 등 동안 발생하는 엄청난 힘들을 받을 때 인접 배터리 팩들 사이에 연결을 끊도록 만들어질 수 있다.
커넥터(2700)는 전도성 암(2710)을 단자(2810a)의 연결판(2830a)에 연결하고 전도성 암(2705)을 인접 단자(2810b)의 연결판(2830b)에 연결함으로써 배터리 팩들(2800a 및 2800b)에 고정된다. 각각의 전도성 암(2705 및 2710)은 용접 와이어를 수용하도록 만들어진 홈(2725)을 포함한다(도 27 참조). 또한, 각각의 암(2705, 2710)은 기계적 패스너들을 수용하도록 만들어진 복수의 구멍(2730)을 포함한다. 배터리 팩들(2805a 및 2805b)의 인접 단자들을 연결하기 위해서, 용접 와이어는 각 홈(2725)에 위치된다. 각각의 암(2705, 2710)은 상응하는 단자에 용접된다(예를 들어, 브레이징, 레이저 용접, 초음파 용접 등). 바람직하게는, 각각의 암은 브레이징을 사용하여 상응하는 단자에 부착된다. 브레이징은 배터리 팩들 사이의 상호연결의 유지를 쉽게 하며 배터리 시스템에서 배터리 팩의 교체를 간단하게 하는데 이는 상호연결을 형성하는 금속 합금이 쉽게 재가열되어 배터리 팩을 배터리 시스템에 있는 다른 배터리 팩들과 분리하기 때문이다. 또한, 나사, 볼트 등과 같은 기계적 패스너들(2840)이 구멍(2715)에 삽입되어 개개의 단자의 상응하는 구멍들과 맞물리며 전도성 암과 상응하는 단자 사이에 더욱 신뢰할 수 있는 연결을 만든다. 이런 방식으로 인접 배터리 팩들의 상응하는 단자들에 커넥터(2700)를 용접하고 고정하면 인접 배터리 팩들 사이에 낮은 저항, 높은 전류 용량 통로를 만든다. 비록 인접 배터리 팩들이 서로 연결되어 서로 전기적으로 병렬이지만, 바람직한 배열은 이들이 직렬로 연결되게 하는 것이다.
도 29는 전력으로 구동될 수 있는 자동차의 모터/발전기에 전력을 공급하고 이로부터 전력을 받는 배터리 시스템(2900)을 도시한다. 배터리 시스템(2900)은 다중 배터리 팩들(2805)을 포함한다. 배터리 팩들의 수는 약 5개, 바람직하게는 10개이다. 각각의 배터리 팩(2805)은 복수의 전지(300), 바람직하게는 8 내지 15개 팩 및 더욱 바람직하게는 10개 팩을 포함한다. 각각의 배터리 팩(2805)의 전지들(300)은 서로 직렬로 전기적으로 연결된다. 또한, 다중 배터리 팩들(2805)은 서로 직렬로 전기적으로 연결된다.
각각의 배터리 팩(2805)은 개개의 배터리 팩 하우징(2305)에 배치된다. 자동차는 다중 배터리 팩들과 이들의 하우징을 포함하는 격실이 제공된다. 격실은 모터/발전기에 대한 전기적 연결을 용이하게 한다. 각각의 배터리 팩(2805)에 대한 배터리 팩 하우징(2305)은 개구부들이 개개의 단자들에 가장 인접한 영역에서 각각의 배터리 팩(2805)을 통해 제공되는 경우를 제외하고 주위 환경으로부터 실질적으로 밀봉된다(예를 들어, 방수). 인접 배터리 팩 하우징들(2305)의 개구부들은 배터리 시스템(2900)을 통해 공기와 같은 냉각 유체의 순환을 용이하게 하도록 덕트 장치와 상호연결된다.
배터리 시스템(2900)을 포함하는 격실은 자동차의 후면 승격 좌석 아래 부분적으로 및 자동차의 트렁크에 부분적으로 맞는 모양과 크기일 수 있다. 또한, 격실은 자동차의 바닥 아래 맞는 모양과 크기일 수 있다.
도 29에서, 공기와 같은 더운 유체는 펌프(2905)에 의해 배터리 시스템(2900)을 통해 움직인다. 펌프(2905)는 더운 유체가 흐름 화살표(2910)로 표시한 방향으로 시스템(2900)을 통해 움직이게 한다. 흐름 화살표로 도시된 대로, 펌프(2905)는 시스템(2900)의 다른 부분들에 분배하기 위한 중앙 덕트(2930)의 입구(2927)에 제공되기 전에 더운 유체가 더운 가공 장치(2915)를 통과하게 한다. 열 가공 장치(2915)는 더운 유체를 냉각하기 위한 응축기(2920) 및 더운 유체를 가열하기 위한 히터(2925)를 포함할 수 있다. 응축기(2920)는 배터리 시스템(2900)의 온도가 소정의 역치를 초과할 때 작동한다. 마찬가지로, 히터(2925)는 배터리 시스템(2900)의 온도가 소정의 역치 이하로 떨어질 때 작동한다.
더운 유체가 중앙 덕트(2930)를 통해 순환함에 따라, 더운 유체는 중앙 덕트(2930)에 가장 인접한 각각의 배터리 팩(2805)의 단자 부분을 가열하거나 냉각한다. 덕트 장치의 말단 부분(2940)에 도달하자마자, 더운 유체는 배터리 시스템(2900)의 외부 덕트(2910, 2940)를 향한다. 이것이 더운 유체가 배터리 시스템(2900)의 외부 덕트에 가장 인접한 각각의 배터리 팩(2805)의 단자 부분을 가열하거나 냉각하게 한다. 배터리 시스템(2900) 내의 배터리 전지들(300)은 온도가 최적의 수준에서 유지되는 제어된 환경에서 작동한다. 더운 유체의 일부는 배터리 시스템(2900)의 덕트로부터 자동차의 승객 격실로 흐를 수 있다. 이런 방식으로, 배터리 시스템(2900)에 의해 발생된 열은 자동차의 내부 승객 격실을 가열하도록 사용된다. 배터리 시스템(2900)의 덕트들로부터 흐른 더운 유체의 양은 격실 온도를 조절하기 위해 승객 격실 내의 개인에 의해 제어될 수 있다.
도 30 내지 34는 코어의 반대 말단들에 있는 휘감긴 코어의 양극과 음극에 연결들을 제공하는 것과 관련된 장점들을 도시한다. 비교를 위해서, 도 30은 코어(3005), 양극 커넥터(3010) 및 음극 커넥터(3115)를 구비한 배터리(300)를 도시한다. 양극 커넥터(3010) 및 음극 커넥터(3015)는 코어(3005)의 동일한 면에 위치한다. 작동하는 동안 코어(3005)의 전류 분포는 명암에 의해 나타난다. 도시된 대로, 커넥터들(3010 및 3015)에 가장 인접하게 상당한 전류 밀도가 있다. 고 전류 밀도의 영역들은 옴의 법칙에 따라 고온과 관련이 있다. 결과적으로, 커넥터들(3010 및 3015)에 가장 인접한 영역들은 작동하는 동안 뜨겁게 되고 배터리의 성능을 떨어뜨린다. 배터리(3000)의 수명은 영향을 받는다.
도 31은 휘감긴 코어(3105), 양극 커넥터(3110) 및 음극 커넥터(3115)를 가진 배터리(3100)를 도시한다. 양극 커넥터(3110) 및 음극 커넥터(3115)는 휘감긴 코어(3105)의 반대 측면들에 배치된다. 코어(3105)는 길이(3120)와 폭(3125)을 가진다. 양극 커넥터(3110)는 폭(3130)을 갖는 반면 음극 커넥터(3115)는 폭(3135)을 가진다. 비록 폭(3130 및 3135)이 폭(1025)보다 적은 것으로 도시되나, 이런 폭들은 코어(3105)의 폭(3125)과 실질적으로 동일하도록 연장될 수 있다.
도 31에 도시된 치수는 다양한 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 길이(3120) 대 폭(3125)의 비율은 약 1.5 내지 4.5일 수 있고, 약 2.5 내지 3.5가 바람직하다. 폭(3130) 대 폭(3135)의 비율은 약 0.8 내지 1.2일 수 있고, 약 0.9 내지 1이 바람직하다. 폭(3130)(뿐만 아니라 폭(3135)) 대 폭(3125)의 비율은 약 0.3 내지 0.6일 수 있고, 바람직하게는 0.4 내지 0.5이다.
도 32는 폭(3130) 및 폭(3135)이 대략 동일한 상황을 도시한다. 이런 상황에서, 전기장(3200)은 코어(3105)의 가장자리에 대해 각도(θ)를 형성한다. 각도(θ)의 값은 tan-1((W-a)/L)로 측정되며, W는 폭(3125)이고, a는 폭(3130)이며 L은 길이(3120)이다. 각도(θ)가 약 0°내지 20°인 경우, 전류 밀도는 최적화될 수 있다. 이것은 0<(W-a)/L<0.37일 때 일어난다.
도 33은 작동하는 동안 코어(3105)에서의 전류 밀도를 도시한다. 도시된 대로, 전류 밀도는 코어(3105)의 한 측면에 집중되지 않고, 오히려, 양극 커넥터(3110) 및 음극 커넥터(3115)에 가장 인접한 반대 측면들에 분포된다. 코어(3105)의 중앙에 가장 인접한 전류 밀도는 도 30과 비교하여 감소된다. 결과적으로, 코어(3105)의 중앙부는 현저한 온도 상승을 겪지 않는다. 또한, 온도 변화는 코어(3105)의 단일 측면에 집중되지 않는다.
도 34는 도 30(배터리 A로 나타냄)에 따라 제조된 배터리 대 도 31(배터리 B로 나타냄)에 따라 제조된 배터리의 성능을 비교하는 표이다. 도 34의 세로는 다음 값들에 상응한다:
● 세로 3405는 각각의 배터리에 대한 방전/충전 주기들의 수와 상응한다;
● 세로 3410은 세로 3405에 도시된 주기들의 수 이후 배터리 용량에 상응한다;
● 세로 3415는 세로 3405에 도시된 주기들의 수 이후 전류 배터리 용량 대 최초 배터리 용량의 비율에 상응한다;
● 세로 3420은 세로 3405에 도시된 주기들의 수를 거친 후 배터리의 작동 동안 발생하는 양극 커넥터에 가장 인접한 최대 온도에 상응한다;
● 세로 3420은 세로 3405에 도시된 주기들의 수를 거친 후 배터리의 작동 동안 발생하는 음극 커넥터에 가장 인접한 최대 온도에 상응한다;
● 세로 3430은 세로 3405에 도시된 주기들의 수를 거친 후 배터리의 작동 동안 발생하는 코어의 중앙에 가장 인접한 최대 온도에 상응한다.
도시된 대로, 배터리 A 및 B의 성능 변수들 사이에 현저한 차이들이 존재한다. 성능 차이들은 배터리가 더 많은 충전/재충전 주기들을 경험함에 따라 더욱 분명해진다. 결과적으로, 배터리 B의 성능은 시간이 지남에 따라 배터리 A보다 우수하며 배터리 B는 더 긴 수명을 가진다.
본 발명의 다양한 실시예들이 기술되었지만, 더 많은 실시예들이 본 발명의 범위 내에서 가능하다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항들과 이들의 균등물을 제외하고 제한되지 않는다.

Claims (18)

  1. 직사각형 프리즘 모양을 가지며, 높이 보다 큰 길이 및 높이보다 적은 두께를 가져서, 각 전지 상에 두 말단, 두 작은 면들과 두 큰 면들을 형성하고, 각 전지는 한 말단에 양극 단자와 다른 말단에 음극 단자를 포함하며, 양극 단자는 전지의 큰 면들 중 하나와 실질적으로 평행한 면을 포함하며 음극 단자는 전지의 큰 면들 중 다른 하나와 실질적으로 평행한 면을 포함하는 복수의 전지; 및
    복수의 전지들을 수용하며, 전지들은 서로 가장 인접한 인접 전지들의 큰 면들을 가진 배터리 팩 하우징에 배열되며, 두 인접 전지들 사이의 각각의 전지를 위한 양극 단자는 인접 전지들 중 하나의 음극 단자와 접촉하고 두 인접 전지들 사이의 각각의 전지를 위한 음극 단자는 인접 전지들 중 하나의 양극 단자와 접촉하여, 전지들은 배터리 팩 내에 직렬로 연결되는 배터리 팩을 포함하는 배터리 팩.
  2. 제 1 및 제 2 배터리 팩 및 탄성 커넥터를 포함하고, 각각의 배터리 팩은
    제 1 및 제 2 전기 단자들을 가진 하우징, 그리고
    복수의 직사각형 프리즘 모양 전지들을 포함하며, 각각의 전지는 한 말단에 양극 단자 및 다른 말단에 음극 단자를 가지며, 전지들의 단자들은 서로 상호연결되어 하우징의 제 1 및 제 2 전기 단자에 전력을 제공하고,
    탄성 커넥터는 제 1 배터리 팩의 제 1 및 제 2 전기 단자들 중 하나와 제 2 배터리 팩의 제 및 제 2 단자들 중 하나를 전기적으로 및 기계적으로 연결하며, 제 1 및 제 2 배터리 팩들 사이에 진동을 완화하는 배터리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    탄성 커넥터는
    제 1 배터리 팩의 제 1 및 제 2 단자들 중 하나와 연결된 제 1 암;
    제 2 배터리 팩의 제 1 및 제 2 단자들 중 하나와 연결된 제 2 암; 및
    제 1 및 제 2 암과 전기적으로 및 기계적으로 연결되는 전도성 아치를 포함하는 배터리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    전도성 아치는 다층 금속 호일을 포함하는 배터리 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    전도성 아치는 금속 메쉬를 포함하는 배터리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    전도성 아치는 금속 메시의 각 측면 상에 배치되고 제 1 및 제 2 암 사이에서 연장되는 아치 모양 지지암들을 더 포함하는 배터리 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 암들의 각각은 제 1 및 제 2 암들을 제 1 및 제 2 배터리 팩들의 개개의 단자에 용접하는 것을 용이하게 하는 용접 와이어를 수용하도록 만들어진 홈을 포함하는 배터리 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    복수의 전지들은 서로 전기적으로 직렬로 연결되는 배터리 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 배터리 팩들은 서로 전기적으로 직렬로 연결되는 배터리 시스템.
  10. 제 2 항에 있어서,
    각각의 전지는 높이보다 큰 길이 및 높이보다 적은 두께를 가져서, 각각의 전지상에 두 말단, 두 작은 면들 및 두 큰 면들을 형성하며, 복수의 전지들은 배터리 팩에 서로 인접하게 배향되어 인접 배터리 전지들의 큰 면들이 서로 근처에 있는 배터리 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    인접 배터리 전지들 사이에 절연판들을 더 포함하는 배터리 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    하우징은
    제 1 축을 따라 복수의 전지들의 움직임을 막기 위해 서로 고정되는 제 1 쌍의 절연판;
    제 2 축을 따라 복수의 전지들의 움직임을 막기 위해 서로 고정되는 제 2 쌍의 절연판; 및
    제 3 축을 따라 복수의 전지들의 움직임을 막기 위해 서로 고정되는 제 3 쌍의 절연판을 포함하며, 제 1, 제 2 및 제 3 축들은 서로 직각인 배터리 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    제 1 쌍의 절연판은 단자들에 가장 인접한 복수의 전지들의 말단들에 배치된 배플판들을 포함하며, 배플판들은 냉각 유체의 흐름이 이들 사이로 향하도록 만들어진 배터리 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    냉각 유체는 공기인 배터리 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    제 1 쌍의 절연판들을 서로 고정하는 제 1 세트의 장력 막대들;
    제 2 쌍의 절연판들을 서로 고정하는 제 2 세트의 장력 막대들; 및
    제 3 쌍의 절연판들을 서로 고정하는 제 3 세트의 장력 막대들을 더 포함하는 배터리 시스템.
  16. 모터/발전기; 및
    모터/발전기에 전력을 제공하고 이로부터 전력을 받기 위해 서로 상호연결된 복수의 배터리 팩들 및 쌍의 제 1 배터리 팩의 단자를 쌍의 제 2 배터리 팩의 단자에 전기적 및 기계적으로 연결하는 탄성 커넥터에 의해 상호연결되는 적어도 한 쌍의 인접 배터리 팩들을 포함하고, 각각의 배터리 팩은
    제 1 및 제 2 전기 단자들을 가진 하우징,
    복수의 직사각형 프리즘 모양 전지들을 포함하며, 각각의 전지는 한 말단에 양극 단자 및 다른 말단에 음극 단자를 가지며, 전지들의 단자들은 서로 상호연결되어 하우징의 제 1 및 제 2 전기 단자에 전력을 제공하고
    탄성 커넥터는 인접 배터리 팩들의 쌍 사이에서 진동을 완충하는 전기구동자동차.
  17. 제 16 항에 있어서,
    복수의 전지들은 서로 전기적으로 직렬로 연결되며, 복수의 배터리 팩들은 서로 전기적으로 직렬로 연결되는 전기구동자동차.
  18. 제 16 항에 있어서,
    탄성 커넥터는
    쌍의 배터리 팩의 제 1 배터리 팩의 단자에 연결된 제 1 암;
    쌍의 배터리 팩의 제 2 배터리 팩의 단자에 연결된 제 2 암; 및
    제 1 및 제 2 암과 전기적 및 기계적으로 연결되는 전도성 아치를 포함하는 전기구동자동차.
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