KR20150043291A - 배터리 어셈블리의 동적 압력제어 - Google Patents

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그랜트 더블유. 크리스토펙
서지 알. 라폰테인
이안 더블유. 헌터
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누클레우스 사이언티픽, 인크.
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Abstract

본 발명은, 배터리 셀의 하나 이상의 작동 파라미터를 모니터링하는 단계; 하나 이상의 모니터링된 작동 파라미터에 적어도 일부에 근거하여 하나 이상의 배터리 셀에 적용된 압력을 동적으로 제어하는 단계를 포함하는 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하는 배터리 어셈블리의 작동방법에 관한 것이다.

Description

배터리 어셈블리의 동적 압력제어{DYNAMIC PRESSURE CONTROL IN A BATTERY ASSEMBLY}
이 명세서는 2012년 6월 11일에 출원된 미국출원번호 13/493,592 에 우선권을 주장하며, 참조함으로서 그 내용이 본 명세서에 포함된다.
Li-ion 배터리와 같은 고성능 충전용 배터리는 전기차량에 동력을 공급하는데 폭넓게 사용되어 왔다. 이와 같은 배터리의 성능에 영향을 미치는 하나의 동작 특성은 배터리 어셈블리 안의 배터리 셀에 의해 겪게 되는 압력이다. 어떤 배터리 어셈블리는 스택 안에 배터리 셀의 상대적으로 일정한 압력을 유지하는 구조를 이용하여 가압되는 배터리 셀 스택을 포함한다. 금속 격벽이 없는 파우치 셀의 경우, 이 또한 셀에 요구되는 지지물을 제공한다. 이 압력은 셀의 최적 성능을 달성하기 위해 선택되며 셀의 제조자에 의해 일반적으로 명시된다. 예를 들어, 약 14-20Ah 의 용량을 가진 몇몇의 셀에는, 권장 압력이 약 35-50kPa이다. 어떤 경우에는, 제조자에 의해 명시되는 압력은 사용 중 셀의 엽렬(delamination)을 방지하기 위해 설계된다.
일 양태에서, 통상, 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하는 배터리 어셈블리를 작동하는 방법, 하나 이상의 배터리 셀의 작동 파라미터를 모니터링하는 단계; 및 하나 이상의 모니터링된 작동 파라미터에 적어도 일부에 근거하여 하나 이상의 배터리 셀에 적용되는 압력을 동적으로 제어하는 단계를 포함한다.
양태들은 하나 이상의 다음 특징을 포함할 수 있다.
배터리 어셈블리는 복수의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하며, 동적으로 압력을 제어하는 단계는 복수의 배터리 셀에 적용되는 압력을 동적으로 제어하는 단계를 포함한다.
압력을 동적으로 제어하는 단계는 하나 이상의 모니터링된 작동 파라미터의 함수로써 복수의 배터리 셀에 적용되는 압력을 제어하는 단계를 포함한다.
그 방법은 인접하는 배터리 셀 사이에 냉각재(coolant)를 유동시켜 배터리 셀을 냉각하는 단계를 더 포함한다.
압력을 동적으로 제어하는 단계는 인접하는 배터리 셀 사이에 유동하는 냉각재의 압력을 조절(modulating pressure)하는 단계를 포함한다.
인접하는 배터리 셀 사이에 유동하는 냉각재의 압력을 조절하는 단계는 인접하는 배터리 셀 사이에 유동하는 냉각재의 유량(flow rate)를 변화시키는 단계를 포함한다.
압력을 동적으로 제어하는 단계는 배터리 셀에 편향 압력(a bias pressure)을 적용하는 단계 및 편향 압력에 대응하여 복수의 배터리 셀에 적용되는 압력을 조절하는(modulating) 단계를 포함한다.
적어도 하나의 작동 파라미터는 충전율(charging rate), 충전상태(state of charge), 또는 셀의 온도이다.
적어도 하나의 작동 파라미터는 충전율(charging rate)이다.
하나 이상의 작동 파라미터를 모니터링하는 단계는 배터리 셀의 충전중에 적어도 하나의 작동 파라미터의 변화를 모니터링하는 단계를 포함한다.
그 방법은 배터리 어셈블리내의 냉각재 영역의 부피 변화를 감지하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 양태에서, 통상, 장치는 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀; 배터리 셀의 작동 파라미터를 모니터링하기 위해 구성되는 적어도 하나의 센서; 및 하나 이상의 모니터링된 작동 파라미터에 적어도 일부에 근거하여 하나 이상의 배터리 셀에 적용되는 압력을 동적으로 제어하기 위해 구성되는 압력 제어 시스템을 포함한다.
양태들은 하나 이상의 다음 특징을 포함할 수 있다.
하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀은 복수의 배터리 셀이다.
압력 제어 시스템은 하나 이상의 모니터링된 작동 파라미터의 함수로써 복수의 배터리 셀에 적용된 압력을 제어하기 위해 구성된다.
압력 제어 시스템은 리지드 하우징(a rigid housing)에 포함되는 복수의 배터리 셀이 구비된 리지드 하우징; 및 복수의 배터리 셀에 적용되는 압력을 제어하기 위해 복수의 배터리 셀에 적용되는 압력을 조절하도록 구성되는 압력 조절기(a pressure modulator)를 포함한다.
압력 제어 시스템은 복수의 배터리 셀에 적용되는 압력을 모니터링하기 위해 구성되는 하나 이상의 압력 센서를 더 포함한다.
압력 제어 시스템은 하나 이상의 압력 센서로부터 입력을 수신하며 압력 조절기에 조절 신호를 제공하기 위하여 구성되는 제어 회로를 더 포함한다.
장치는 복수의 배터리 셀 사이에 끼워지는(interleaved) 복수의 냉각재 유동 플레이트를 포함하는 냉각재 시스템을 더 포함한다.
압력 조절기는 복수의 배터리 사이에 배터리 셀에 적용되는 압력을 조절하기 위하여 복수의 냉각재 유동 플레이트를 통하여 유동하는 냉각재의 압력을 조절하도록 구성된다.
압력 조절기는 복수의 냉각재 유동 플레이트를 통해 냉각재를 유동시키기 위한 펌프를 포함하며, 여기서 압력 조절기는 복수의 배터리 셀에 적용되는 압력을 조절하기 위하여 복수의 냉각재 유동 플레이트를 통해 유동하는 냉각재의 유량을 변화시키도록 구성된다.
적어도 하나의 작동 파라미터는 충전율, 충전상태, 또는 셀의 온도이다.
적어도 하나의 작동 파라미터는 충전율이며, 여기서 압력 제어 시스템은 충전률의 함수로써(as a function of the charging rate) 복수의 배터리 셀에 적용되는 압력을 동적으로 제어하도록 구성된다.
장치는 배터리 어셈블리 내측의 냉각재 영역의 부피 변화를 감지하기 위한 센서를 더 포함한다.
센서는 다이어프램 또는 피스톤을 포함한다.
양태들은 하나 이상의 다음의 이점을 갖는다.
전술한 바와 같이, 어떤 배터리 어셈블리는 스택 안에 배터리 셀에 상대적으로 일정한 압력을 유지하는 구조를 이용하여 가압되는 배터리 셀 스택을 포함한다. (예를 들어, "A Multi-cell Battery Assembly"로 명명된 U.S.S.N. 13/445,45를 보며, 그 내용은 참조로 여기에 포함된다) 그 성능 및/또는 재충전가능한 배터리 셀의 수명(longevity)은 배터리 셀의 작동 중에 셀에 적용되는 압력을 동적으로 제어함으로써 향상될 수 있다.(예를 들어, 충전하는 동안 및/또는 방전하는 동안). 예를 들어 초급속 충전(Ultra-fast charging)하는 동안 배터리 셀에 적용된 압력을 증가시키는 것은 셀에 손상(damage) 또는 엽렬(delamination)을 방지하는데 도움을 준다. 500 사이클 당 5-10% 팽윤(swelling)현상을 겪는 Li-ion 파우치 셀에서, 이 메커니즘 또한 셀을 초과 압력부가(over-pressurized)되는 것으로부터 방지한다. 또한, 마운팅부의 일부로서(as part of the mounting) 파우치 셀 안의 스트레스 및 굽힘을 최소화하는 것이 바람직하다. 셀의 압력은 또한 파우치 전체에 균일해야 하며, 이는 압력 제어 시스템에 의해 달성될 수 있다. 배터리 어셈블리를 위한 압력 제어 시스템의 일부를 냉각재 시스템에 통합(incorporating)하는 것은 스택 내 각 배터리 셀의 표면에 걸친 다른 배터리 셀에 적용되는 압력을 균등하게 제어하는 기능을 용이하게 한다. 냉각재 시스템은 어쨌든 필요할 수도 있기 때문에, 압력 제어 시스템이 냉각재 시스템의 기능의 사용을 효율적인 방법으로 양 목표(압력 제어 및 온도 제어)를 달성하도록 할 수 있다. 전기 차에서와 같이, 일부 작동 환경에서는, 예를들면, 급격한 가속 또는 급격한 브레이킹의 결과로서 배터리가 예외적으로 높은 부하를 경험할 수 있다. 이러한 높은 부하는 큰 전류를 발생시킬 수 있으며, 결국 내부 저항 때문에 Li-ion 셀의 상당한 온도상승을 초래할 수 있다. 셀의 온도는 배터리 셀 사이에 발생된 열의 일부를 소멸시키는 냉각재의 유동을 포함하는 레이어(layers)를 끼워 넣음으로서 제어 될 수 있다. Li-ion 배터리의 경우, 예를 들어, 효과적인 작동을 달성하는 것은 배터리 셀이 특정 온도 범위 내에서 동작하는 것이 요구된다. 40℃ 보다 큰 작동 온도에서는 수명이 상당히 줄어들 수 있다. 게다가 복수 셀 배터리에서는 셀들 사이에서 온도 구배가 5-10℃ 보다 크지 않아야 한다. 끼워진 유동 플레이트는, 편향 압력에 대하여, 배터리 셀에 적용된 압력을 제어하며 배터리 셀을 냉각하기 위하여 냉각재가 통과되는 평행한 유동 채널의 배열을 정의한다. 냉각재는 유동 플레이트에 의해 정의되는 채널 내에 가두어지며, 배터리 셀과 직접 접촉되는 상태가 되지 않는다.
압력과 부피 변화를 모니터링하는 것 또한 파우치 내부의 가스 축적의 조기감지 및 파괴의 예방을 가능하게 한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 후술할 상세한 설명 및 청구범위로부터 나타난다.
도 1은 배터리 어셈블리의 블록 다이어그램이다.
도 2a는 배터리 어셈블리의 보조도이다.
도 2b는 도 2a의 배터리 어셈블리의 단면도이다.
도 3은 도 2a 및 도 2b의 배터리 어셈블리에 사용된 평평한 또는 프리즈매틱 배터리 셀(prismatic battery cell)을 도시한다.
도 4는 도 2a 및 도 2b에 사용된 골이 진 유동 플레이트의 측면도를 도시한다.
도 5a 및 도 5b 는 도 2a 및 도 2b의 배터리 어셈블리로부터 매니폴드를 구성하는 커버 플레이트(cover plate) 및 후방 플레이트(back plate)의 정면도 및 배면도를 각각 나타낸다.
도 1을 참조하면, 배터리 어셈블리(10)는 인접한 배터리 셀의 각각의 쌍 사이에 압력 레이어(pressure layers, 미도시)를 구비한 복수의 배터리 셀(14)을 포함하는 배터리 스택(12)을 포함한다. 스택의 양 끝에 리지드 엔드 플레이트는 스택(12)의 내측에 셀(14)에 소정의 최소 압력을 적용한다. 압력 레이어는 배터리 셀(14)에 적용된 압력의 양을 변화시키기 위하여 두께를 조절하도록 구성된다. 기술된 실시예에서는, 압력 레이어는 유동 플레이트의 두께를 조절할 뿐 아니라 배터리 셀을 냉각시키는데 사용되는 냉각재 유체의 유동을 포함하기 위한 냉각재 유동 플레이트이며, 이하에서 보다 구체적으로 설명한다.
배터리 어셈블리(10)는 배터리 셀(14)에 적용되는 압력을 제어하는 압력 제어 시스템을 포함한다. 압력 제어 시스템은 스택(12)안의 배터리 셀(14)에 가해지는 압력에 있어 상응하는 조절을 적용하도록 사실상 압력 레이어의 두께를 조절하는 압력 조절기(16)을 사용한다. 압력 조절기(16)은 다양한 타입이 될 수 있다. 예를 들어 냉각재를 배터리 셀 사이의 유동 플레이트를 통하여 냉각재를 흘려보내는 기어-구동 양변위 펌프(a gear-driven positive displacement pump)를 포함할 수 있다. 펌프는 펌프를 통한 역류를 방지하도록 구성된다. 예를 들어 이는 오로지 유동 플레이트를 통하여 일 방향의 냉각재 유동만을 허용한다. 이는 이 일방향 유동에 의하여 편향 압력이 꾸준하게 가해지도록 허용한다. 디폴트 일방 유량(default unidirectional flow rate)보다 높거나 낮은 일부 범위 내에서 냉각재의 유량을 조정시키도록 펌프를 제어함으로써, 압력 조절기(16)는 편향 압력에 대하여 배터리 셀(14)의 유동 플레이트에 의해 가해지는 압력을 조절할 수 있다. 이것을 용이하게 하기 위하여, 배터리 어셈블리 내의 압력의 제어에 펌프의 효율을 증가시키기 위해 배터리 어셈블리의 외측으로 나오는 유체의 유동을 수축하는 제한기가 구비된다.
압력 제어를 위해 펌프 스피드를 이용하지 않는 대안적인 방법은 전체 냉각재 시스템을 가압하는 것을 포함한다. 이 방법에 따르면, 냉각재 시스템은 폐가압 시스템(a closed pressurized system)이다. 펌프는 효율적인 냉각 달성을 위해 기설정된 레이트(rate)에서 작동하며, 냉각재의 압력을 조절하기 위해 별도의 메커니즘(a seperate mechanism)이 제공된다. 예를 들어, 냉각재와 접촉하며, 액츄이에이터로 제어되는 다이어프램 또는 피스톤은 냉각재에 적용되는 압력을 조절하기 위해 사용될 수 있다. 이는 압력 제어 기능으로부터의 냉각 기능(또는 유량)을 분리시킬 수 있다는 장점을 갖고 있다.
그 압력 제어 시스템은 또한 하나 이상의 압력 센서(20) 및 하나 이상의 작동 센서(22)로부터 수신된 입력에 근거하여 압력 조절기(16)를 제어하는 제어 모듈(18)을 포함한다. 그 제어 모듈(18)은 압력 조절기(16)가 하나 이상의 기 설정된 배터리 셀(14)의 작동 파라미터에 근거하여 스택(12) 내의 압력을 조절하는 것을 보장하는 제어 절차를 수행하는 제어 회로(예를 들어 디지털 회로 및/또는 아날로그 회로)를 포함한다. 하나 이상의 압력 센서(20)는 스택(12) 전체에 걸쳐 분산될 수 있다(예를 들어 배터리 셀과 압력 레이어 사이). 압력 센서(20)는 예를 들어 스트레인 게이지 또는 적용된 힘에 대응하여 전기 신호를 생성하는 다른 타입의 변환기(transducer)를 포함할 수 있다. 압력 센서(20)로부터의 전기 출력 신호는 스택(12) 내의 압력 레이어 및 압력 조절기(16)에 의해 배터리 셀에 적용되는 압력이 얼마나 되는지 결정하기 위한 센서(20)에 의해 측정된 압력을 모니터링 하는 제어 모듈(18)에 제공된다.
제어 모듈(18)은 또한 하나 이상의 작동 파라미터를 모니터링하기 위해 하나 이상의 작동 센서(22)로 부터 입력을 수신한다. 모니터링에 근거하여, 제어 모듈(18)은 압력 조절기(16)에 의해 배터리 셀(14)에 적용되는 압력을 제어 한다. 일 실시예에서, 제어 모듈(18)은 작동 파라미터 중 하나의 함수로써(as a function of one of the operational parameters) 압력을 조절한다. 예를 들어 일 실시예에 이용되는 작동 파라미터는 배터리 셀(14)의 충전율이며, 여기서 제어 모듈(18)의 회로에 프로그램된 공식에 따라 충전율이 증가할 수록 압력이 증가된다. 제어 모듈(18)은, 예를 들어, 충전율의 측정 값의 범위 또는 특정 값을 위해 적용되어야 하는 압력의 특정 목표 값을 정의하는 공식에 따라 충전율의 함수로써 압력을 변화시킨다. 어떻게 압력이 특정 작동 파라미터의 함수로써 조절되는지 나타내는 정확한 함수 관계는 사용되는 특정 배터리 셀에 의존하고, 경험적으로 결정될 수도 있다. 제어 모듈(18)은 실행되고 있는 함수적 관계를 특징짓기 위해(to characterizae) 사용되는 파라미터 및/또는 코드를 저장하는 저장 장치 또는 메모리를 포함할 수 있다. 배터리 셀에 적용되는 목표 압력에 영향을 미칠 수 있고, 그러므로 함수적인 관계로 표현될 수 있는 다른 작동 파라미터는, 배터리 셀의 스택 내측에 위치한 온도 센서를 이용함으로써 측정될 수 있는 셀의 온도이다.
측정된 작동 파라미터의 특정 값에 적용되어야 하는 특정 목표 압력이 존재하는 시나리오의 예는, 예를 들어, 2011년 10월 21에 제출되어 참조로서 그 내용이 여기에 포함되는 "배터리 급속 충전 방법 및 장치"로 명명된 U.S.S.N 13/278,963 (공개번호 2012/0098481)에서 설명된 것과 같은 급속 충전 프로토콜을 이용하는 파워 소스(30)에 의해 배터리 어셈블리가 충전되는 때이다. 이 예에서, 작동 센서(22)는 충전률을 측정한다. 여기서, 초과시 셀에 데미지가 발생할 수 있고 수명이 단축될 수 있는 포인트를 확인하는 충전율 한계점이 있다. 이 한계점은 충전상태, 충전율, 셀 온도 및 셀에 적용된 압력과 같은 다양한 파라미터의 함수로써 변할 수 있다. 급속 충전동안, 충전율은 이 한계점의 이하이어야 한다. 충전 프로세스가 진행되는 동안 셀의 압력을 변화시킴으로써, 한계점은 증가될 수 있고, 셀의 수명이나 신뢰도에 부정적으로 미치는 영향없이 더 높은 충전률로 충전될 수 있다. 그러므로, 급속 충전동안 셀에 적용되는 압력을 조절함으로써, 셀이 완충되는데 까지 소요되는 시간이 더욱 감축될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 배터리 어셈블리(10)의 예시적인 실시예는 수냉식 다중셀 배터리 어셈블리(100)이다. 배터리 어셈블리(100)는 2개의 직사각형 형상의 엔드 플레이트(104a, 104b)에 의해 함께 고정되는 재충전 가능한 16개의 Li-ion 배터리 셀(102)의 스택을 포함한다. 각각 4 개의 코너에 구멍을 가지고 있는 엔드 플레이트(104a, 104b)는, 2개의 엔드 플레이트(104a, 104b) 각각의 대응되는 구멍을 각각의 로드(127)가 통과하여 4개의 로드(127)에 마운트 된다. 각각의 엔드 플레이트를 미끄러져 다른 엔드 플레이트로부터 기설정된 거리보다 더 멀어지는 것을 방지하는 고정구조(130)가 각 로드(127)의 각 끝단에 있다. 로드에 의해 함께 고정되는 엔드 플레이트는, 서로 가압하며 배터리 셀의 스택에 압력을 적용하는 리지드 하우징을 구성한다. 배터리 셀의 스택(102)은 배터리 어셈블리(100)의 내측에 들어있다. 도 2a에서, 오로지 양극 및 음극 단자(108a, 108b)에 만이, 웨지 버스 바 플레이트(110)(a wedge bus bar plate)를 통하여 확장하여, 보이게 된다. 버스 바 플레이트(110)는 배터리 셀의 단자를 전기적으로 서로 연결하는 버스 바를 구성하는 버스 바 클램프를 고정한다.
도시된 실시예에서는, 압력 조절기 및 냉각재 시스템은 모두 배터리 셀 사이의 유동 플레이트를 냉각재의 유동을 지지하는 것 및 인접하는 배터리 셀에 압력을 적용하는 것에 활용한다. 냉각재는 배터리 셀(102)의 스택의 맞은편 사이드에 위치한 2 개의 매니폴드(112a, 112b)에 의해 유동 플레이트로부터 유동 플레이트로 전달된다. 각 매니폴드(112a, 112b)는 2개의 볼트(118)의 열에 의해 함께 고정되는 커버 플레이트(114) 및 후방 플레이트(116)를 포함한다. 하나의 매니폴드(112a)에 입력 포트(120a)를 통하여 유입된 냉각재는 어셈블리 내의 배터리 셀(102) 사이를 흐르고 냉각시키고, 대응하는 출구 포트(120b)를 갖는 다른 매니 폴드(112b)에 의해 반대측에서 모이게 된다. 배터리 어셈블리(100)는 또한, 버스 바 플레이트(110)에 마운트 된 회로판(124)의 회로에 구현된 제어 모듈을 포함하고, 버스바 플레이트(110)는 제어 모듈(18)의 회로 및 작동 센서(22)로부터 신호를 커플링하고 충전, 방전, 및 사용중 배터리 셀(102)의 밸런싱을 포함한 배터리 어셈블리(100)의 동작 관리에 필요한 회로를 포함할 수 있다.
도 3은 배터리 어셈블리(100) 내에 포함된 배터리 셀(102) 중 하나를 도시한다. 본 실시예에서, 배터리 셀(102)은 평평하고, 얇은 형상으로 된(또한 "프리즈매틱 셀(prismatic cell)"로 알려진) 적층 폴리머 파우치(Laminated polymer pouch)이다. 두 단자(108a:양극 단자, 108b:음극 단자)는 파우치의 일단의 모서리 밖으로 연장된다. 프리즈매틱 셀은 다양한 소스에서 상용적으로 이용가능하다. 프리즈매틱 셀의 명목상의 작동 파라미터는 매우 다양하다. 그러나 작동 파라미터에 대한 전형적인 값은 일반적으로 3.3 V의 출력전압, 및 14-20 Ah의 용량일 수 있다. 프리즈매틱 셀의 최적 작동을 위해, 작동 중에 압축 압력이 특정한 범위 내에 있어야 한다. (예를 들어, 약 35-50 kPa)
다시 도 2b를 참조하면, 배터리 어셈블리(100)의 내부 구조는 단면도에 나타나 있다. 각 매니폴드(112a, 112b) 내측에는, 커버 플레이트(116) 및 후방 플레이트(114)가 유동 플레이트를 통과하여 유동하는 냉각재를 수용하기 위한 내측 챔버(117)을 형성한다. 도 5a 및 5b를 참조하면, 커버 플레이트(116)의 내측면은 외측 지점부터 유입/출 포트(120a, 120b)를 향해 일정한 기울기로 테이퍼되는 표면으로 오목하게 된다. 후방 플레이트(114) 또한 매니폴드(112a)가 조립되었을 때 커버 플레이트(116)를 마주보는 측면에 오목한 부분(126)을 포함한다. 오목한 부분(126) 내의 벽에는 후방 플레이트(114)를 통과하여 균등하게 형성된 슬롯(128)의 배열이 있다. 두 매니폴드 (112a,b) 사이에서 연장하는 것은 유동 플레이트의 배열이며, 하나의 매니폴드(112a)로부터 다른 매니폴드(112b) 까지 배터리 셀 사이의 냉각재를 운반하기 위한 주름진 (corrugated)유동 플레이트(160)로 여기에 제공된다.
도 4를 참조하면, 각 주름진 유동 플레이트(160)는 균등한 간격으로된 평행 리브(164)의 배열에 의해 서로 분리된 두 개의 액체 불투과성(liquid impermeable) 측면 판(162)을 가지며, 평행 리브(164)는 하나의 판과 다른 판을 연결한다. 리브의 배열은, 유동 플레이트의 내측에서 일 방향으로 확장되며, 냉각재가 그것을 통하여 유동하는 평행 채널(166)의 배열을 형성한다. 리브(164)는 압축력 하에 놓일 때 붕괴되는 것으로부터 유동 판을 보호한다. 불투과성 측면 판(162)은 유연하고, 냉각재의 증가된 압력에 대응하여 외측으로 팽창되며, 이에 배터리 셀에 가변 압력을 적용할 것이다. 전술한 실시예에서는, 주름진 유동판은 약 2mm의 두께를 갖는 압출 폴리프로필렌 중합체(extruded polypropylene polymer)로 만들어진 상용적으로 이용가능한 Coroplast™ 판이다. 상용적으로 이용가능한 다른 두께는, 예를 들어 2-10mm이다.
다시 도 2b, 5a 및 5b를 참조하면, 유동 플레이트(160)들은, 각 슬롯(128) 내에 배치되는 하나의 유동 플레이트(160)로, 두 매니폴드(112a/b)의 후방 플레이트(114) 안의 슬롯(128)들에 들어맞는다. 슬롯(128)은 유동 플레이트(160)가 그 안으로 바짝 들어맞기 위하여 크기가 정해진다. 유동 플레이트(160)는 유동 플레이트(160) 내의 채널(126)이 하나의 매니폴더로부터 다른 매니폴더 측으로 연장될 수 있도록 배향(oriented)된다. 유동 플레이트(160)는 후방 플레이트(114) 안의 슬롯(128)을 통하여 통과하며, 매니폴드(112) 내측에 형성되는 챔버(117)로 연장된다. 매니폴드(112)의 내측은, 에폭시 실(168, an epoxy seal)이 유동 플레이트(160) 및 후방 플레이트(114) 사이의 슬롯(128)을 따라 있으며, 이는 셀과 접촉될 수 있는 배터리 어셈블리의 내측 부분으로 냉각재가 누출되는 것을 예방한다. 각 슬롯(128)은 매니폴드의 내측면에 테이퍼된 입구 및 대향면에 다른 더 작은 테이퍼된 입구(도면에 나타나지 않음)를 갖는다. 더 작은 테이퍼는 조립시 슬롯(128) 내측으로 유동 플레이트(160)의 삽입을 쉽게 한다. 내측의 큰 테이퍼는 에폭시가 적용될 때 테이퍼된 영역에 에폭시 드로잉과 실(seal)을 형성하기 위한 넓은 면적을 제공함으로써 유동 플레이트(160)와 후방 플레이트(114) 간 더 나은 실(seal)을 용이하게 한다.
커버 플레이트(116)의 내측면으로 형성된 챔버(117)의 기울어진 상측벽(upper wall)은 유동 플레이트 내측에 많은 유동 채널 중 몇몇에 유동을 지원하지 않고 정체된 유체/냉각재를 포함하는 결과가 되는, Coanda 효과를 줄이거나 방지하기 위해 제공된다.
유동 플레이트 사이의 분리는 조립시에 배터리 셀이 삽입되는 공간을 제공한다. 유동 플레이트간 거리는 배터리 셀이 딱 들어맞는 것을 제공하기 위해 선택된다. 이것은 엔드 플레이트에 의해 제공되는 압축력이 배터리 셀의 스택 전체에 걸쳐 효율적으로 분산되는 것을 가능하게 하며, 배터리 어셈블리가 완전히 조립되었을 때 편향 압력하에 놓이게 되며, 이로 인해, 작동 중(예를 들어 충전 또는 방전)에 압력 조절기가 이 편향 압력에 대해 압력을 높이거나 낮추도록 조절하는 것이 가능할 것이다. 후방 플레이트(116)의 내측에는 후방 플레이트(116)의 둘레 주변에 형성된 채널(142)이 있다. 이 채널(142)은, 후방 플레이트(116) 위에 커버 플레이트(114)가 볼트되었을 때 실(seal)을 형성하는 플렉서블한 오링(미도시)을 수용한다.
배터리 셀(102)은 교대로(in alternating orientation), 즉 후면-후면(back-to-back), 정면-정면(front-to-front)으로 배터리 어셈블리(100) 내측에 배열될 수 있다. 배터리 셀(102)를 교대로 함으로써, 첫 번째 셀은 오른쪽에 양극 단자를 갖는 경우, 두 번째 셀(즉, 스택 안의 두 번째 셀)은 오른쪽에 음극 단자를 갖게 될 것이며, 세 번째 셀은 오른쪽에 양극 단자를 갖는 등일 것이다. 따라서, 동력을 제공받는 장치 또는 전원공급기를 위한 인터페이스는 하나의 배터리 셀의 음극 단자는 인접한 배터리 셀의 양극 단자와 연결될 수 있을 때이다. 이와 같이, N개의 셀을 구비한 배터리 어셈블리의 전체 출력 전압은 개별 셀의 전압의 N배(예를 들어 3.3N volts)가 되도록 인터페이스의 단자 클램프는 직렬로 셀을 연결한다.
배터리 어셈블리의 다양한 부분에 다양한 재료가 사용될 수 있다. 어느 실시예에서는, 엔드 플레이트(104a, 104b)는 알루미늄으로 만들어 지며, 매니폴드(112a, 112b) 및 하부 커버(bottom cover)는 ABS(crylonitrile butadiene styrene) 또는 폴리프로폴린(polypropylene)으로 만들어지고, 에폭시 접착제는 3M사의 DP100 Plus이다. 냉각재는 물 또는 3M에 의해 상용적으로 판매되는 전기적으로 절연되는 냉각재인 Fluorinert™가 될 수 있다. 물론, 사용될 수 있는 이러한 재료에 상용적으로 이용가능하고 받아들일 수 있는 대안들은 많이 있다. 나아가, 배터리 어셈블리는 어플리케이션의 요구 출력 전압에 따라 임의의 수의 배터리 셀을 가질 수 있다. 게다가, 끼워진 유동 플레이트 및 배터리 셀의 스택을 최소 편향 압력으로 가압하기 위한 리지드 하우징을 제공하기 위해 본원에 기재된 엔드 플레이트 및 로드와 다른 매커니즘이 사용될 수 있다.
추가로 주름진 구조 이외의 유동 플레이트가 가능하다. Coroplast™ 유동 플레이트는 상용적으로 이용가능하며, 비싸지 않고, 이 어플리케이션을 위해 특별히 적절한 특성을 가지고 있어 특별하게 편리하다. 반면, 유동 플레이트를 설계하고 제작할 수 있는 다른 방법이 있다. 예를 들어 주름진 판은 2개의 불 침투성 재료(inpermeable material)의 평판 사이에 재료의 "wavy" 판의 접합(bonding)으로 제작 될 수 있다. 그 결과 구조는 더 골판지(corrugated cardboard)같을 것이다.
압력을 제어하기 위한 수단으로서 전술한 피스톤이나 다이어프램은 셀의 상태(health)를 모니터링하기 위한 메커니즘을 제공한다. 셀 파손의 하나의 유형은 파우치 내부에서 생성되는 가스의 생성으로인한 셀 파우치의 팽창과 관련되어 있다. 교정하는 조치가 이루어지기 위하여 이 유형의 파손이 일어날 때를 감지하는 것이 바람직하다. 셀 파우치의 팽창은 냉각재 유동 플레이트에 대하여 밀고 냉각재에 셀 어셈블리 밖으로 힘을 가한다. 이것은, 차례로, 피스톤 및/또는 다이어프램을 외측으로 이동하는 것을 야기한다. 이 피스톤 및/또는 다이어프램의 외측방향으로의 동작은 위치 센서에 의해 감지될 수 있으며 이 파손 메커니즘의 지시계를 제공할 수 있다. 사실상, 모션센서는, 파손된 셀 파우치의 팽창으로 인한 배터리 어셈블리 내부에 냉각재 시스템의 체적의 감소를 감지한다
전술한 설명은 예시를 위한 것이며, 추가된 청구범위로 정의된 발명의 범위를 한정하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다른 실시예들은 다음의 청구범위 내에 있다.

Claims (24)

  1. 배터리 셀의 하나 이상의 작동 파라미터를 모니터링 하는 단계; 및
    하나 이상의 상기 모니터링된 작동 파라미터에 적어도 부분적으로 근거하여 상기 하나 이상의 배터리 셀에 적용되는 압력을 동적으로 제어하는 단계를 포함하는 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하는 배터리 어셈블리의 작동 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 어셈블리는 복수의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하며,
    상기 압력을 동적으로 제어하는 단계는 상기 복수의 배터리 셀에 적용되는 압력을 동적으로 제어하는 단계를 포함하는 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하는 배터리 어셈블리의 작동 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 압력을 동적으로 제어하는 단계는 하나 이상의 상기 모니터링된 작동 파라미터의 함수로써 상기 복수의 배터리 셀에 적용되는 상기 압력을 제어하는 단계를 포함하는 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하는 배터리 어셈블리의 작동 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 인접하는 배터리 셀 사이에 냉각재를 유동시켜 상기 배터리 셀을 냉각하는 단계를 더 포함하는 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하는 배터리 어셈블리의 작동 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 압력을 동적으로 제어하는 단계는 인접하는 배터리 셀 사이에 유동하는 상기 냉각재의 압력을 조절하는 단계를 포함하는 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하는 배터리 어셈블리의 작동 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 인접하는 배터리 셀 사이에 유동하는 상기 냉각재의 압력을 조절하는 단계는 인접하는 배터리 셀 사이에 유동하는 상기 냉각재의 유량을 변화시키는 단계를 포함하는 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하는 배터리 어셈블리의 작동 방법.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 압력을 동적으로 제어하는 단계는,
    상기 배터리 셀에 편향 압력(a bias pressure)을 적용시키는 단계; 및
    상기 편향 압력에 대응하여 상기 복수의 배터리 셀에 적용되는 압력을 조절하는 단계를 포함하는 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하는 배터리 어셈블리의 작동 방법.
  8. 제2 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 작동 파라미터는 충전율(charging rate), 충전상태(state of charge), 또는 셀의 온도인 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하는 배터리 어셈블리의 작동 방법.
  9. 제2 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 작동 파라미터는 충전율(charging rate)인 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하는 배터리 어셈블리의 작동 방법.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 작동 파라미터를 모니터링하는 단계는 상기 배터리 셀의 충전 중에 적어도 하나의 상기 작동 파라미터의 변화를 모니터링하는 단계를 포함하는 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하는 배터리 어셈블리의 작동 방법.
  11. 제2 항에 있어서,
    상기 배터리 어셈블리 내측의 냉각재 영역의 부피 변화를 감지하는 단계를 더 포함하는 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀을 포함하는 배터리 어셈블리의 작동 방법.
  12. 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀;
    상기 배터리 셀의 하나 이상의 작동 파라미터를 모니터링하도록 구성되는 적어도 하나의 센서; 및
    하나 이상의 상기 모니터링된 작동 파라미터에 적어도 부분적으로 근거하여 상기 하나 이상의 배터리 셀에 적용되는 압력을 동적으로 제어하도록 구성된 압력 제어 시스템을 포함하는 장치.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 재충전가능한 배터리 셀은 복수의 배터리 셀인 장치.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 압력 제어 시스템은 하나 이상의 상기 모니터링된 작동 파라미터의 함수로써 상기 복수의 배터리 셀에 적용되는 상기 압력을 제어하도록 구성되는 장치.

  15. 제13 항에 있어서,
    상기 압력 제어 시스템은,
    리지드 하우징에 포함되는 상기 복수의 배터리 셀이 구비된 상기 리지드 하우징; 및
    상기 복수의 배터리 셀에 적용되는 압력을 제어하기 위해 상기 복수의 배터리 셀에 적용되는 압력을 조절하도록 구성되는 압력 조절기를 포함하는 장치.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 압력 제어 시스템은 상기 복수의 배터리 셀에 적용되는 압력을 모니터링하기 위해 구성되는 하나 이상의 압력 센서를 더 포함하는 장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 압력 제어 시스템은 상기 하나 이상의 압력 센서로부터 입력을 수신하며 상기 압력 조절기에 조절 신호를 제공하기 위하여 구성되는 제어 회로를 더 포함하는 장치.
  18. 제13 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 사이에 끼워지는 복수의 냉각재 유동 플레이트를 포함하는 냉각재 시스템을 더 포함하는 장치.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 압력 조절기는 상기 복수의 배터리 셀 가운데 상기 배터리 셀에 적용되는 압력을 조절하기 위하여 상기 복수의 냉각재 유동 플레이트를 통하여 유동하는 냉각재의 압력을 조절하도록 구성되는 장치.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 압력 조절기는 상기 복수의 냉각재 유동 플레이트를 통해 냉각재를 유동시키기 위한 펌프를 포함하며,
    상기 압력 조절기는 상기 복수의 배터리 셀에 적용되는 상기 압력을 조절하기 위하여 상기 복수의 냉각재 유동 플레이트를 통해 유동하는 상기 냉각재의 유량을 변화시키도록 구성되는 장치.
  21. 제13 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 작동 파라미터는 충전율, 충전상태, 또는 셀의 온도인 장치.
  22. 제13 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 작동 파라미터는 충전율이며,
    상기 압력 제어 시스템은 상기 충전율의 함수로써 상기 복수의 배터리 셀에 적용되는 압력을 동적으로 제어하도록 구성되는 장치.
  23. 제13 항에 있어서,
    상기 배터리 어셈블리 내측의 냉각재 영역의 부피 변화를 감지하기 위한 센서를 더 포함하는 장치.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 센서는 다이어프램 또는 피스톤을 포함하는 장치.
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