KR20150121039A - 배터리 하우징 - Google Patents

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cell
battery cells
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로버트 더블유. 스웨니
데릭 도레스테인
제프리 왈도 샌드
크리스토퍼 찰리스 블레인
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패스터 패스터 인크.
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Abstract

배터리 하우징(battery housing)은 복수의 배터리 셀들(a plurality of battery cells)을 유지하는 배터리 프레임(battery frame)을 포함한다. 각 배터리 셀은 일 단부에 전도성 구조(conducting structure) 및 양극 단자(positive terminal)를 포함하고, 반대쪽 단부에 음극 단자(negative terminal)를 포함하고, 상기 전도성 구조에 상기 음극 단자를 전기적으로 커플하는 전도 쉘(conductive shell)을 포함한다. 상호 접속부(interconnect)는 각 셀의 상기 전도성 구조 또는 상기 양극 단자 중 어느 하나에 접촉함으로써 두 개의 셀들 사이에 전기적 연결을 생성한다. 상기 셀들은 상기 양극 단자, 상기 전도성 구조 및 상기 상호 접속부가 모두 상기 배터리 프레임의 같은 사이드(side) 상에 있도록 위치된다. 결과적으로, 상호 접속부는 길이가 더 짧아질 수 있다.

Description

배터리 하우징{BATTERY HOUSING}
본 발명은 배터리 하우징(battery housing)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 하우징에서 셀들(cells) 사이에 전기 상호 접속부들(electrical interconnects), 단열(thermally insulating) 셀들, 및 상기 배터리 하우징에서 상기 셀들을 위한 쿨링 시스템(cooling system)에 관한 것이다.
배터리 하우징은 요구되는 에너지 용량(energy capacity) 및 출력 전압(output voltage)을 갖는 배터리 시스템을 형성하기 위해 배터리 셀들(battery cells)을 직렬 및/또는 병렬 형태로 연결하는 전기 컨덕터들(electrical conductors)을 포함한다. On a cylindrical battery cell, the positive and negative terminals are positioned at opposite ends of the cell. 원기둥 배터리 셀(cylindrical battery cell)상에서, 양극 단자들(positive terminals) 및 음극 단자들(negative terminals)은 상기 셀의 반대편 단부(ends)에 위치된다. Conventionally, electrical contact is made at both ends of each cell in the battery housing so that both the positive and negative terminals are directly connected to a conductor. 일반적으로, 전기 접촉(electrical contact)이 상기 배터리 하우징에서 각 셀의 양쪽 단부에서 형성된다. 하지만, 각 셀의 양쪽 단부에서 전기 접촉을 형성하는 것은 연결 시스템(connection system)에서 잠재적인 오류 포인트들(potential failure points)의 수를 증가시키고, 상기 배터리 하우징의 전체 비용을 증가시킨다.
일 실시예에서, 배터리 하우징은 복수의 배터리 셀들(a plurality of battery cells)을 유지(holds)하는 배터리 프레임(battery frame)을 포함한다. 각 배터리 셀은 제1 단부(a first end)에서 양극 단자(positive terminal)를 갖고, 상기 제1 단부의 반대편의 제2 단부(a second end)에서 음극 단자(negative terminal)를 갖는다. 또한, 각 배터리 셀은 상기 제1 단부에 전도성 구조(conducting structure)를 포함하고, 상기 제2 단부에 상기 음극 단자를 상기 제1 단부에 상기 전도성 구조에 전기적으로 커플(electrically couples)하는 전도성 쉘(conductive shell)을 포함한다. 배터리 셀의 양쪽 단부들에서 전기적 접촉을 형성하는 대신, 상호 접속부(interconnect)가 셀의 상기 제1 단부에 있는 상기 양극 단자 또는 상기 전도성 구조와 접촉을 형성한다. 상기 전도성 쉘은 상기 전도성 구조를 상기 음극 단자에 전기적으로 커플(electrically couples)하기 때문에, 셀의 크림프 구조에서(crimp structure) 접촉을 형성하는 것은 상기 상호 접속부를 상기 셀의 상기 음극 단자에 커플하는(coupling) 효과를 갖는다.
일 실시예에서, 두 개의 셀들 사이에 상기 상호 접속부는 두 개의 셀들을 직렬로 연결하기 위해 제1 배터리 셀(first battery cell)의 전도성 구조 및 제2 배터리 셀(second battery cell)의 양극 단자와 접촉을 형성한다. 또 다른 일 실시예에서, 제1 상호 접속부(first interconnect)는 두 개의 배터리 셀들의 상기 양극 단자들과 접촉을 형성하고, 제2 상호 접속부(second interconnect)는 상기 두 개의 셀들을 병렬로 연결하기 위해 상기 동일한 두 개의 배터리 셀들의 상기 크림프 구조들과 접촉을 형성한다.
상기 셀들은 각 셀의 상기 제1 단부 및 상기 상호 접속부가 모두 상기 배터리 프레임(battery frame)의 같은 사이드(same side) 상에 있도록 위치되고, 각 셀의 상기 제2 단부는 상기 프레임의 반대편에 위치된다. 결과적으로, 상기 상호 접속부는 배터리 셀들의 반대편 단부들(opposite ends)을 연결하기 위해 상기 프레임의 반대편 사이드들(opposite sides) 사이에 연장(extend)을 필요로 하지 않기 때문에 길이가 더 짧아질 수 있다. 더 짧은 상호 접속부는 더 적은 물질(lower material) 및 제조 비용(manufacturing costs)을 허용하기 때문에 유리하다. 또한, 더 짧은 상호 접속부는 상기 배터리 하우징 내에서 잠재적인 오류 포인트들(potential failure points)의 수를 감소시킬 수 있고, 상기 셀들 사이에 상기 연결들의 전체적인 복잡성(overall complexity)을 감소시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배터리 프레임은 배터리 셀들(battery cells)을 유지(hold)하도록 구성된 복수의 배터리 셀 격실들(battery cell compartments)을 포함한다. 일 실시예에서, 각 배터리 셀 격실은 돌출 거리(protrusion distance)에 의해 상기 격실의 내부 표면(interior surface)으로부터 돌출되는 복수의 정렬 피쳐들(a plurality of alignment features)을 포함한다. 배터리 셀이 상기 셀 격실로 삽입될 때, 상기 정렬 피쳐들은 상기 배터리 셀의 중앙에 위치하고 상기 배터리 셀의 상기 사이드 및 상기 셀 격실의 상기 내부 표면 사이에 에어 갭(air gap)을 생성하도록 상기 배터리 셀의 상기 사이드와 접촉을 형성한다.
상기 정렬 피쳐들의 상기 돌출 거리는 상기 에어 갭이 상기 배터리 셀 주위에 단열(thermal insulation)을 제공하기에 충분히 큰 두께(thickness)를 갖지만, 상기 에어 갭 내에서 발생하는 어떠한 상당량의 대류(any significant convection)를 방지하도록 충분히 작게 선택될 수 있다. 이것은 상기 배터리 셀로부터 인접한 배터리 셀들(adjacent battery cells)로의 열 전달(heat transfer)을 감소시키고, 이것은 배터리 셀 오류가 발생하고 열 폭주(thermal runaway) 동안 많을 양의 열이 발생할 때 인접한 배터리 셀들을 바람직하게 보호한다.
일 실시예에서, 또한 상기 배터리 하우징은 상기 프레임의 사이드 및 상기 열 확산기의 표면에 접촉하는 열 계면(thermal interface)에 위치된 열 확산기(heat spreader)를 포함한다. 배터리 셀이 상기 배터리 프레임 내부로 삽입될 때, 상기 열 계면 및 열 확산기는 배향되어 상기 열 계면 또한 상기 배터리 셀의 상기 제2 단부에 접촉한다. 그 결과, 상기 열 계면은 상기 배터리 셀의 상기 제2 단부 및 상기 열 확산기의 표면 사이에 열 연결(thermal connection)을 설정하고, 상기 배터리 셀 및 상기 열 확산기 사이에 전송되기 위한 열을 허용한다. 추가적인 배터리 셀들이 상기 배터리 프레임에 삽입될 수 있고, 이러한 방법으로 상기 열 확산기에 열적으로 커플될(thermally coupled) 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 또한 상기 열 확산기는 상기 열 확산기 및 배터리 셀들의 온도를 감소시키는 방열 장치들(heat dissipating devices) 또는 쿨링 장치들(cooling devices)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 열 확산기는 상기 배터리 하우징의 위부 둘레(external surroundings)에 노출되는 배터리 인클로저(battery enclosure)에 연결될 수 있다. 게다가, 상기 열 확산기의 상기 반대편 사이드는 열 전달 물질(pieces of heat transfer material)의 피스들에 커플될 수 있다.
이것은 상기 배터리 셀의 상기 내부 젤리 롤 구조(internal jelly roll structure)가 상기 배터리 셀의 음극 단자에서 더 높은 열 전도성을 갖도록 하기 때문에 각 배터리 셀의 상기 제2 단부들(다시 말해, 상기 음극 단자를 갖는 상기 단부에서)에서 열 연결을 형성하는데 유리하다. 그러므로, 상기 배터리 셀의 상기 제2 단부에서 상기 열 연결을 형성하는 것은 상기 셀로부터 상기 열 확산기로의 열 전달이 개선되도록 허용한다.
상세한 설명에서 설명된 특징 및 장점들은 이에 한정되지 않고, 특히, 많은 추가적인 특징 및 장점은 도면, 명세서 및 청구 범위를 고려하여 당업자에게 명백 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용된 언어는 주로 읽기 쉽고 도움이 되도록 선택되었으며, 묘사 또는 본 발명의 주제를 위해 선택되지 않을 수도 있음을 유의해야 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 하우징의 다양한 측면들을 나타내는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 일 실시예에 따른 배터리 셀을 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 도 3b는 일 실시예에 따른 배터리 셀들이 서로 커플하기 위한 상호 접속부들을 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 일 실시예에 따른 상기 배터리 하우징의 셀 격실 내에서 정렬 피쳐들을 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5f는 일 실시예에 따른 배터리 셀들을 위한 열 관리 시스템(thermal management system)을 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전기 모터사이클(electric motorcycle) 상에 탑재된 배터리 어셈블리(battery assembly)를 나타내는 도면이다.
도면들은 예시의 목적으로만 다양한 실시 예를 묘사한다. 여기에서 사용되는 실시예들은 당업자가 용이하게 실시할 수 있으며 기술된 실시예들을 추가적으로 더 이용 가능한 방법에 대한 이해를 위한 것으로 의도되고, 따라서 본 실시예들의 범위를 제한하는 것으로 해석될 수 없다.
배터리 하우징 개요(Battery Housing Overview)
도 1a는 일 실시예에 따른 배터리 하우징(battery housing)(100)의 투시도이다. 상기 배터리 하우징(100)은 회로 보드(circuit board)(102), 프레임 구조(frame structure)(104), 및 열 확산기(heat spreader)(106)를 포함한다. 도 1b는 상기 회로 보드(102)가 제거된 배터리 하우징(100)의 투시도이다. 도 1b에 나타낸 것과 같이, 상기 프레임 구조(104)는 배터리 셀들(battery cells)(108)을 위한 격실들(compartments)을 수용(contains)한다. 도 1c는 상기 프레임 구조(104) 내부의 상기 배터리 셀들(108)을 나타내는 상기 배터리 하우징(100)의 측면 단면도(side cutaway view)이다.
상기 회로 보드(102)는 상기 배터리 셀들(108)을 전기적으로 연결하기 위한 회로(circuitry)를 수용한다. 일 실시에에서, 상기 회로 보드(102)는 상기 배터리 셀들(108)을 병렬-직렬 구성(in a parallel-series configuration)으로 연결한다. 상기 병렬-직렬 구성(in a parallel-series configuration)에서, 상기 셀들(108)은 셀들의 그룹들(groups of cells)로 분리될 수 있고, 각 그룹에서 상기 셀들은 병렬로 연결되고, 상기 그룹들은 직렬로 연결된다. 또 다른 실시예에서, 상기 회로 보드(102)는 배터리 셀들(108)을 다른 또는 더 정교한 방법(more sophisticated manner)으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 셀들의 그룹들(groups of cells)은 직렬로 연결될 수 있고, 상기 그룹들의 직렬들(series of groups)은 병렬-직렬-병렬 구성(parallel-series-parallel configuration)을 형성하기 위해 다른 그룹들의 직렬들(other series of groups)과 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 상기 회로 보드(102)는 상기 배터리 셀들을 직렬-병렬 구성(series-parallel configuration) 또는 직렬-병렬-직렬 구성(series-parallel-series configuration)으로 연결할 수 있다. 상기 배터리 셀들(108)을 연결하기 위한 예시 구성은 도 3a 내지 도 3b를 참조하여 아래에서 더욱 상세히 설명된다.
상기 프레임 구조(frame structure)(104)는 상기 배터리 하우징 내에서 상기 배터리 셀들(108)을 위한 기계적 지지부(mechanical support)를 제공하는 복수의 셀 격실들(a plurality of cell compartments)을 포함한다. 일 실시예에서, 상기 프레임 구조(104) 내의 상기 셀 격실들은 왼쪽 부분(left portion) 및 오른쪽 부분(right portion)으로 분리되고, 각 부분에서 상기 셀 격실들은 상기 셀들이 대체로 서로 병렬(substantially parallel to each other)로 배향되도록 배터리 셀들(108)을 유지한다. 게다가, 상기 셀 격실들은 상기 배터리 셀들(108)의 패킹 효율성(packing efficiency)을 증가시키고 상기 프레임 구조(104)를 위해 사용된 물질의 양을 감소시키기 위해 육각형 패턴(hexagonal pattern)으로 정렬된다. 그러므로, 상기 프레임 구조(104)의 외부 경계(outer perimeter) 상에 있지 않은 각 셀 격실은 6개의 다른 셀 격실들(to six other cell compartments)에 인접한다. 일 실시예에서, 상기 프레임 구조(104)는 126 개의 셀 격실들(예를 들어, 각 부분에서 63 개의 셀 격실들)을 포함하고, 각 셀 격실은 싱글 배터리 셀(single battery cell)(108)을 유지한다. 일 실시예에서, 각 셀 격실은 17.3 입방 센치미터(cubic centimeters)(cc)의 부피를 갖고, 상기 프레임 구조(104)를 위해 사용된 상기 물질은 대략 262 cc 의 부피를 차지한다. 전체적으로, 상기 프레임 구조(104)는 상기 셀 격실들의 부피 및 완전히 또는 부분적으로 둘러 쌓인 영역들의 부피(volume of other completely or partially enclosed regions)가 포함될 때 대략 3000cc의 전체 부피를 갖는다. 일 실시예에서, 상기 프레임 구조(104)는 추가적인 또는 더 적은 셀 격실들(additional or fewer cell compartments)을 포함한다. 또한, 상기 프레임 구조(104)는 각 배터리 셀(108)을 싱글 셀 오류들(single cell fails) 및 많은 양의 열(large amount of heat)이 발생할 때 인접한 셀들을 과열(overheating)로부터 보호하기 위해 인접한 배터리 셀들(adjacent battery cells)로부터 단열(thermally isolate)하는 피쳐들(features)을 포함할 수 있다. 배터리 셀들 사이에 단열(thermal isolation)을 달성하는 방법의 예시는 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 아래에서 설명한다.
열 확산기(heat spreader)(106)는 상기 배터리 셀들(108)로부터 하나 이상의 방열 장치들(heat dissipating devices)로 열을 전달하는 열 전도성 물질(thermally conductive material)로 만들어진다. 일 실시예에서, 상기 열 확산기(106)의 한쪽 사이드(one side)(106A)는 상기 배터리 셀들(108)에 열적으로 커플(thermally coupled)되고, 상기 열 확산기(106)의 다른 한쪽 사이드(other side)(106B)는 다른 방열 장치들(other heat dissipating devices)에 커플(coupled)된다. 또한, 상기 열 확산기(106)의 에지들(edges)은 방열 장치들에 커플될 수 있다. 상기 배터리 셀들(108)에 의해 생성된 열을 소멸(dissipate)시키기 위한 상기 열 확산기(106)를 사용하는 다른 구성들의 예시들은 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 아래에서 더욱 상세히 설명된다.
배터리 셀 구조(Battery Cell Structure)
도 2a는 원기둥 모양 배터리 셀(108)의 투시도이다. 상기 배터리 셀(108)은 상기 배터리 하우징(100)에서 사용된 배터리 셀들을 나타낸다. 상기 배터리 셀(108)은 상기 셀의 제1 단부(first end)에서 양극 단자(positive terminal)(202)를 갖고, 상기 셀의 제2 반대편 단부(second opposite end)에서 음극 단자(negative terminal)(204)를 갖는다. 상기 배터리 셀(108)은 구조적 지지부(structural support)를 제공하고 상기 셀(108)의 내부 부품들(internal components)을 수용(houses)하는 전도성 쉘(conductive shell)(206)을 포함한다. 상기 전도성 쉘(206)은 전기 전도성 물질(electrically conductive material)(예를 들어, 금속(metal))로 형성되고, 상기 셀(108)의 제2 단부(second end)에서 상기 음극 단자(204)에 전기적으로 커플된다. 상기 전도성 쉘(206)은 상기 셀(108)의 제1 단부에서 상기 음극 단자(204)로부터 전도성 구조(208)로 위를 향해(upward) 확장(extends)한다. 도 2a 및 도 2b에 나타낸 일 실시예에서, 상기 전도성 구조(208)는 상기 셀(108)의 상기 제1 단부 가까이에 크림프 구조(crimp structure)를 포함한다. 비전도성 링(non-conductive ring)(210)은 상기 양극 단자(202) 및 상기 전도성 구조(208) 사이에 전기 전도성(electrical conduction)을 보호하기 위해 상기 전도성 구조(208) (상기 전도성 쉘(206)을 통해 상기 음극 단자(204)에 전기적으로 커플되는)를 상기 양극 단자(202)로부터 분리한다.
도 2b는 도 2a에 보여진 상기 배터리 셀(108)의 내부를 나타내는 단면도이다. 상기 셀(108)의 내부는 젤리 롤(212)을 포함하고, 상기 젤리 롤(212)의 단부들(ends)에서 방열(heat dissipation)을 돕는 벤트 튜브(vent tube), 전류 차단 장치(current interrupt device), 및 인슐레이터들(insulators)와 같이 다른 부품들(components)을 선택적으로 포함할 수 있다. 상기 젤리 롤(212)은 전기적 에너지(electrical energy)를 저장(stores)하고, 방전(discharges)하는 전기적 부품(electrochemical component)이다.
일 실시예에서, 상기 배터리 하우징(100)(예를 들어, 도 2a 및 도 2b에서 보여진 상기 배터리 셀(108))에서 사용된 상기 배터리 셀들은 풀 차지(fully charged) 되었을 때 2.0볼트(volts)(V) 내지 4.2볼트(volts)(V) 사이의 전압 생성이 가능하다. 게다가, 상기 배터리 셀들은 -9암페어(amperes)(A) 내지 20암페어(amperes)(A) 사이의 전류 생성이 가능하다. 상기 배터리 셀들의 상기 전압 및 전류 용량들(capabilities)은 상기 셀들이 방전(discharged)됨으로써 감소할 수 있다. 게다가, 일 실시예에서 상기 배터리 셀들은 원기둥 모양의 팩터들(cylindrical form factors)을 갖는 에너지-밀도 리튬 이온 셀들(energy-dense lithium ion cells)이다. 일 실시예에서, 상기 배터리 셀들은 다른 출력 전압들 및 전류들, 다른 셀 화학물질(chemistry), 및 다른 형태 팩터들(form factors)과 같이 다른 전기적(electrical), 화학적(chemical), 및 기계적(mechanical) 특성들(properties)을 가질 수 있다.
일반적으로, 전기 전도체(electrical conductor)는 상기 셀(108)의 상기 반대 단부들(opposing ends)에서 상기 단자들(202, 204)에 직접 연결되고, 열 전도체(thermal conductor)는 상기 셀(108)의 상기 원기둥(cylindrical surface) 표면에 연결된다. 하지만, 이러한 상기 셀(108)과 전기적 및 열적 연결을 생성하는 종래기술의 방법은 상기 젤리 롤(212)의 구조가 상기 젤리 롤(212)이 차지(charged)되고, 방전(discharged)되는 동안 더 높은 열 전도성을 갖기 위해 상기 셀(108)의 제2 단부(다시 말해, 상기 음극 단자(204))에서 바닥 표면(bottom surface)을 발생시키기 때문에 불리하다. 그 동안, 상기 전도성 쉘(206)의 원기둥 표면 및 상기 셀(108)의 제1 단부(다시 말해, 양극 단자(202))에서 탑 표면(top surface)은 상대적으로 더 낮은 열 전도성을 갖는다.
상기 셀(108)의 반대편 단부들(opposing ends)에서 전기적 연결을 생성하는 대신에, 상기 양극 단자들 및 음극 단자들 모두를 위한 전기적 연결들은 상기 셀(108)의 제1 단부에서 생성될 수 있다. 상기 전도성 쉘(206)이 상기 음극 단자(204)와 커플되기 때문에, 상기 쉘(206)의 한 부분(any portion) 또는 상기 전도성 구조(208)에 커플되는 전기 전도체(electrical conductor)는 또한 상기 음극 단자(204)에 커플된다. 그러므로, 상기 셀(108)의 제1 단부 상에서 상기 전도성 구조(208)의 부분에 접촉하는 전도체(conductor)는 상기 전도성 쉘(206)을 통해 상기 음극 단자에 커플된다. 이러한 방법은 특히 셀의 양극 단자(202) 및 또 다른 셀의 음극 단자(204) 사이에 상기 전기적 상호 접속부들(electrical interconnects)이 상기 셀들의 제1 단부들을 따라 상기 배터리 프레임(104)의 동일한 사이드(same side)에 위치될 수 있고, 상기 셀들의 제2 단부들(다시 말해, 열 전도성(thermal conductivity)이 더 높은)이 상기 배터리 프레임(104)의 반대편 사이드(opposite side)에서 열 확산 시스템(heat dissipation system)에 열적으로 커플되기 때문에(상호 접속부에 전기적으로 커플되는 대신) 유리하다. 게다가, 상기 셀(108)의 원기둥 표면 대신 상기 셀(108)의 제2 단부에서 열 접촉이 생성될 때, 오류의 이벤트(예를 들어, 열 폭주(thermal runaway))에서 인접한 셀들에 많은 양의 열을 전달하는 것으로부터 셀을 보호하기 위해 절연 시스템(insulating system)이 상기 원기둥 표면(206)에 인접하여 추가될 수 있다.
싱글-사이드 전기 상호 접속부들(Single-Side Electrical Interconnects)
도 3a는 두 개의 인접한 배터리 셀들(108A, 108B) 사이에 상기 상호 접속부를 나타내는 단면도이다. 상기 셀들(108A, 108B)은 두 셀들(108A, 108B)의 제1 단부들이 상기 프레임 구조(104)의 제1 사이드(first side)에서 서로 정렬되도록 상기 프레임 구조(104)에 배향(oriented)된다. 일 실시예에서, 상호 접속부(302)는 상기 배터리 셀들(108A, 108B)을 전기적으로 연결한다. 상기 상호 접속부(302)는 제1 셀(first cell)(108A)을 상기 제1 셀(108A)에 인접한 제2 셀(second cell)(108B)에 전기적으로 연결하는 전기 전도성 물질(electrically conductive material)(예를 들어, 구리(copper) 또는 알루미늄 와이어(aluminum wires))을 포함한다. 상기 상호 접속부(302)는 제1 접촉 포인트(first contact point)(304)에서 제1 셀(108A)에 연결되고, 제2 접촉 포인트(second contact point)(306)에서 상기 제2 셀(108B)에 연결된다. 상기 접촉 포인드들(contact points)(304, 306)은 해당 셀(108)의 열(terminal of the corresponding cell) 및 상기 상호 접속부(302) 사이에 전기적 연결을 설정한다. 예를 들어, 상기 접촉 포인트들(304, 306)은 스티치 본드(stitch bonds)들일 수 있다.
도시된 실시예에서, 상기 제1 접촉 포인트(first contact point)(304)는 상기 제1 셀(108A)의 상기 전도성 구조(208A)에서 형성되고, 상기 제2 접촉 포인트(second contact point)(306)는 상기 제2 셀(108B)의 상기 양극 단자(202 B)에서 형성된다. 그러므로, 상기 상호 접속부(302)는 상기 셀들(108A, 108B)을 직렬로 연결하기 위해 상기 제1 셀(108A)의 상기 음극 단자를 상기 제2 셀(108B)의 상기 양극 단자에 커플한다. 또 다른 실시예에서, 상호 접속부들(302)은 두 개의 셀들 사이에 병렬 접촉(parallel connection)을 생성하기 위해 두 개의 음극 단자들(예를 들어, 상기 두 개의 셀들의 전도성 구조에서 형성된 접촉 포인트들을 갖는) 및/또는 두 개의 양극 단자들(예를 들어, 상기 두 개의 셀들의 양극 단자들에서 형성된 접촉 포인트들을 갖는)을 전기적 커플(electrically couple)하도록 구성될 수 있다. 상호 접속부들(302)은 직렬-병렬 연결들(series-parallel connections) 및 병렬-직렬 연결들(parallel-series connections)과 같은, 멀티플 셀들(multiple cells) 사이에 더 많은 정교한 연결(sophisticated connections)을 생성하기 위해 위에서 설명된 방법들로 추가적으로 수용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 상호 접속부(302)는 다른 모양(different shape)을 갖거나 또는 금(gold) 또는 은(silver)과 같은, 다른 물질(different material)로 형성될 수 있다.
상기 셀(108)의 두 개의 단자들(both terminals)을 위한 상기 접촉 포인트들(contact points)(304, 306)은 상기 셀(108)의 상기 제1 단부에서 형성되고, 상기 전체 상호 접속부(302)는 상기 프레임 구조(frame structure)(104)의 제1 사이드에 위치된다. 그러므로, 상기 상호 접속부(302)는 일반적인 배터리 하우징들(conventional battery housings)에서의 상호 접속부들보다 길이가 더 짧을 수 있다. 더 짧은 상호 접속부들(302)은 더 적은 물질(lower material) 및 제조 비용(manufacturing costs)을 허용하기 때문에 유리하다. 비용을 더 절감하기 위해, 상기 상호 접속부(302)는 전도성 물질의 싱글 피스(single piece)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 상호 접속부(302)는 싱글 와이어(single wire)일 수 있다.
도 3b는 인접한 배터리 셀들(108) 사이에 3 개의 상호 접속부들(302)을 나타내는 상기 배터리 하우징(100)의 투시도이다. 또한, 도 3b는 상기 프레임 구조(104)의 제1 사이드에 위치된 상기 회로 보드(102) 상에 전도성 트레이스들(conducting traces)(308)을 나타낸다. 상기 상호 접속부들(302)은 상기 배터리 셀들(108) 사이에 추가적인 연결들을 생성하기 위해 상기 트레이스들(traces)(308)에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 상호 접속부들(302) 및 상기 트레이스들(308) 사이에 전기적 연결을 생성하기 위해 초음파 용접 과정(ultrasonic welding process)이 사용된다. 상기 연결은 저항 용접(resistance welding), 레이저 용접(laser welding), 또는 기계적 연결(mechanical joint) 또는 파스너(fastener)(예를 들어, 스크류(screw))와 같은, 다른 방법을 사용하여 대체로 형성될 수 있다. 그러므로 상기 트레이스들(308)은 상호 접속부들(302)과 직렬로 연결된 셀들(308)의 그룹들 사이에 병렬 연결들을 설정하기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 또한 상기 트레이스들(308)은 상기 배터리 셀들의 전압을 모니터(monitors)하는 전압 모니터링 시스템(voltage monitoring system)에 연결된다.
도 3b에서 3개의 상호 접속부들(302)만을 나타내었지만, 상기 상호 접속부들(302) 및 전도성 트레이스들(308)은 상기 프레임 구조(104)에서 모든 셀들(108)을 연결하기 위해 위에서 설명된 방법으로 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 싱글 프레임 구조(104)에서 상기 상호 접속된 셀들(108)은 52.5V 내지 55.2V 사이의 전체 출력 전압(total output voltage)을 제공하고, 풀 차지(fully charged)되었을 때 -54A 내지 120A의 전체 출력 전류(total output current)를 제공한다.
두 개의 배터리 셀들(108) 사이에 상기 상호 접속부(302)는 상기 상호 접속부(302)를 흐르는 전류가 상기 배터리 하우징(100)의 다른 전기적 연결들에 손상을 줄 수 있는 임계 전류(threshold current)를 초과할 때 두 개의 배터리 셀들(108) 사이에 형성하는 상기 전기적 연결을 끊는(다시 말해, 차단(disconnects))) 퓨즈(fuse)와 같이 선택적 기능(optionally function)일 수 있다. 예를 들어, 상기 물질 및 상기 상호 접속부(302)의 단면도는 어떠한 전류에 의해 생성된 열이 상기 임계 전류 상기 상호 접속부를 멜트(melt)시키거나 그렇지 않으면 차단(disconnected)시키는 열보다 더 높도록 선택될 수 있다. 이러한 방법으로 기능을 하도록 상호 연결부(302) 구성은 전용 퓨즈(dedicated fuses)또는 다른 전류 조절 장치(current regulating devices)의 필요를 감소시키거나 제거함으로써 상기 배터리 하우징(100)의 물질 비용(material costs)을 더 감소시킬 수 있다. 일 실시예에서, 상기 배터리 하우징(100)에서 모든 상호 접속부(302)는 이러한 방법으로 퓨즈로서 기능을 하도록 구성된다. 일 실시예에서, 상기 상호 접속부들(302)의 서브 세트(subset)만이 퓨즈로서 기능을 하도록 구성된다.
단열(Thermal Insulation)
도 4a는 일 실시예에 따른 상기 프레임 구조(104) 내에서 셀 격실(402)을 나타내는 도면이다. 상기 셀 격실(402)은 상기 격실(402) 내에서 배터리 셀(108)과 연결을 형성하는 상기 격실(402)의 탑(top) 및 바닥(bottom)에서 복수의 정렬 피쳐들(plurality of alignment features)(404)(또는 립들(ribs))을 포함한다. 일 실시예에서, 각 정렬 피쳐(404)는 돌출 거리(protrusion distance)(405)에 의해 상기 셀 격실(cell compartment)(402)의 내부 표면(interior surface)으로부터 돌출(protrudes)된다. 셀들 사이에서 원하지 않는 전기 전도성 또는 열 전도성을 방지하기 위해, 낮은 전기 전도성 및 낮은 열 전도성을 갖는 물질로 만들어진 정렬 피쳐들(404) 및 상기 프레임 구조(104)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 프레임 구조(104) 및 정렬 피쳐들(404)는 플라스틱(plastic)으로 만들어질 수 있다.
도 4b는 상기 셀 격실(402) 내부에 상기 정렬 피쳐들(404)을 갖는 접촉에서 배터리 셀(108)의 측면 단면도(side cutaway view)이고, 도 4c는 상기 셀 격실(402) 내부에 배터리 셀(108)의 평면도이다. 도 4b 및 도 4c에서 보여진 것과 같이, 상기 셀(108)이 상기 정렬 피쳐들(404)을 갖는 접촉일 때 상기 정렬 피쳐들(404)은 상기 셀 격실(402)의 내부 표면 및 상기 배터리 셀(108) 사이에 에어 갭(air gap)(406)을 생성한다. 상기 에어 갭(406)의 두께는 상기 정렬 피쳐들(404)의 돌출 거리(protrusion distance)(405)에 의해 정의된다. 일 실시예에서, 상기 에어 갭 두께는 돌출 거리(405)와 동일하다. 또한, 상기 정렬 피쳐들(404)은 상기 에어 갭(406)이 상기 배터리 셀(108)의 전체 원기둥 표면(entire cylindrical surface) 주위에 일정한 두께(consistent thickness)를 갖도록 상기 격실(402)에서 상기 배터리 셀(108)이 중앙에 있다.
도시된 실시예에서, 3 개의 정렬 피쳐들(three alignment features)(404) 중 제1 세트(first set)는 상기 셀 격실의 제1 단부(상기 프레임 구조(104)의 제1 사이드)에서 형성되고, 3 개의 정렬 피쳐들(three alignment features)(404) 중 제2 세트(second set)는 상기 셀 격실의 제2 단부(상기 프레임 구조(104)의 제2 사이드)에서 형성된다. 두 개의 세트들 모두에서, 상기 3 개의 정렬 피쳐들(404)은 상기 배터리 셀 격실의 종 방향(longitudinal direction)을 따라 연장(extend)하고 서로 120도 간격(degrees apart)으로 격리(spaced)된다. 또 다른 일 실시예에서, 다른 수(number), 거리(spacing), 또는 정렬 피쳐들(404)의 방향(orientation)이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 셀 격실(104)은 상기 제1 단부로부터 상기 셀 격실(104)의 제2 단부로 연장하는3 개의 정렬 피쳐들(404)을 포함할 수 있다.
상기 돌출 거리(protrusion distance)(405)는 상기 에어 갭(406)의 두께를 정의하기 때문에, 상기 돌출 거리(405)는 상기 생성된 에어 갭(406)이 상기 에어(air)가 상기 셀(108) 및 상기 프레임 구조(104) 사이에 단열(thermal insulation)을 제공하기 위해 충분히 큰 두께를 갖지만, 상기 에어 갭(406) 내에서 발생하는 상당량의 대류(significant convection)를 방지하기에 충분히 작도록 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 정렬 피쳐들(404)은 0.1mm보다 크고 0.5mm 보다 작은 돌출 거리(405)를 갖고, 그러므로 상기 셀(108)의 원기둥 표면 및 상기 셀 격실(402)의 내부 표면 사이에 두께와 거의 동일한 에어 갭(406)을 생성한다. 일 실시예에서, 상기 정렬 피쳐들(404)은2mm보다 작은 돌출 거리(405)를 갖는다.
상기 셀(108)의 원기둥 표면 및 상기 셀 격실(402)의 내부 표면 사이에 상기 에어 갭(406)은 상기 프레임 구조(104)에서 인접한 배터리 셀들(108) 사이에 전도(conduction) 또는 대류(convection) 때문에 열 전달(heat transfer)을 감소시킨다. 게다가, 열 전달은 각 셀 격실의 내부 표면이 상기 해당 배터리 셀(108)의 원기둥 표면을 둘러싸기 때문에 더 감소된다. 그 결과, 상기 프레임 구조(104)는 상기 셀들(108) 사이에 열 복사(thermal radiation)를 감소시키는 인접한 셀들(108) 사이에 물리적 배리어(physical barrier) 제공한다. 이것은 열 폭주(thermal runaway)와 같은, 셀 오류 및 많은 양의 열이 방출 될 때 인접한 셀들을 보호하기 때문에 인접한 배터리 셀들(108) 사이에 열 전달을 감소시키는데 유리하다. 대신에, 아래에서 도 5a 내지 도 5f에서 나타낸 것과 같이, 셀(108)에서 열 오류가 발생될 때 생성된 상기 과도한 열은 상기 열 확산기(heat spreader)(106)로 전달되고, 이것은 상기 과도한 열을 보다 균일한 방식으로(in a more even manner) 상기 다른 셀들로 차례로 방출(distributes)하고, 상기 열을 열 방출 표면들(heat dissipating surfaces)로 전달한다. 그러므로, 정렬 피쳐들(404)에 의해 생성된 상기 에어 갭(406)은 싱글 셀(108)에서의 열 오류의 이벤트에서 인접한 셀들에 대한 손상의 가능성을 감소시키고, 상기 프레임 구조(106)에서 셀들의 더 높은 패킹 밀도(packing density)를 허용한다.
도 5a는 일 실시예에 따른 상기 배터리 셀들(108) 및 상기 열 확산기(106) 사이에 열 계면(thermal interface)(502)을 나타내는 측면 단면도이다. 일 실시에에서, 상기 열 확산기(106)는 상기 회로 보드(104) 및 상기 상호 접속부들(302)에 반대편 상기 배터리 프레임(104)의 제2 사이드에 위치된다. 상기 열 계면(502)은 상기 배터리 셀들(108)을 상기 열 확산기(106)에 열적으로 연결하기 위해 상기 배터리 셀들(108)의 제2 단부 및 상기 열 확산기(106)의 제1 사이드(106A)에 접촉한다. 상기 배터리 셀들(108)은 제2 단부를 실질적으로 동일 평면(substantially coplanar)형성하기 위해 위치될 수 있고, 이것은 상기 열 계면(502)이 상기 열 확산기(106) 및 각 연결된 배터리 셀(108) 사이에 거의 동일한 두께를 갖도록 허용한다.
상기 열 계면(502)이 상기 배터리 셀들(108)을 상기 열 확산기(106)에 열적으로 연결하기 때문에, 상기 계면(502)은 상기 배터리 셀들(108)로부터 상기 열 확산기(106)로 열이 전달되는 것을 허용한다. 상기 계면(502)은 상기 셀(108) 및 상기 열 확산기(106) 사이에 열 전달을 용이하게 하기 위한 높은 열 전도성(thermal conductivity)을 갖고, 전기 전도(electrical conduction)를 억제하기 위한 낮은 전기 전도성(electrical conductivity)을 갖는 어떠한 물질로 형성될 수 있다. 일 실시예에서 상기 계면(502)은 에폭시(epoxy)이다. 대체로, 포팅 화합물(a potting compound), 열 페이스트(thermal paste), 또는 열 표면 물질(thermal interface material)(예를 들어, 열 패드(thermal pad) 또는 카본 시트(carbon sheet))가 상기 계면(502)으로써 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 열 계면(502)은 도 3a 내지 도 3b를 참조하여 위에서 설명된 상기 싱글 사이드 전기 상호 접속부(single-side electrical interconnects)(302)와 결합(conjunction)으로 사용되고, 상기 열 계면(502)은 상기 셀들의 상기 제2 단부들에서 상기 음극 단자들을 위한 전기적 연결을 위해 추가적인 레이어 물질들(layers of material)이 필요 없는 싱글 레이어 물질(single layer of material)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 계면(502)은 에폭시의 싱글 레이어(single layer of epoxy)일 수 있다. 상기 열 계면(502)을 위해 싱글 레이어 물질(single layer of material)을 사용하는 것은 물질 비용을 유용하게 감소시키고, 상기 배터리 셀들의 상기 제2 단부들 및 상기 열 확산기(106) 사이에 상기 열 계면(502)을 적용하는 과정을 단순화할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열 계면(502)은 더 높은 전기 전도성을 갖는 물질로 형성되고, 상기 열 확산기(106)는 상기 셀들(108) 및 상기 열 확산기(106) 사이에 전기 전도를 억제하기 위해 비전도성 도금(non-conductive plating) 또는 코팅(coating)을 갖는다. 예를 들어, 상기 열 확산기(106)는 양극처리된 알루미늄(anodized aluminum)으로 형성될 수 있다.
유사하게, 상기 열 확산기(106)는 또한 높은 열 전도성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 하지만, 상기 열 계면(502)이 상기 셀들(108) 및 상기 열 확산기(106) 사이에 전기 전도를 억제하는 낮은 전기 전도성을 갖기 때문에, 상기 열 확산기(106)를 위해 사용된 상기 물질의 전기 전도성 상에 몇몇 제약이 있다. 일 실시예에서, 상기 열 확산기(106)는 알루미늄(aluminum)으로 형성된다. 또 다른 일 실시예에서, 상기 열 확산기(106)는 구리(copper)와 같은, 높은 열 전도성을 갖는 다른 물질로 형성된다. 또 다른 실시예에서, 상기 열 확산기는 두 개의 다른 물질의 상태(states of matter)로 열 전달 물질(heat transfer material)을 포함하는 2-상 열 전달 장치(two-phase heat transfer device)(예를 들어, 열 파이프(heat pipe))이다.
상기 열 확산기(106)의 상기 제2 사이드(106B)는 상기 열 확산기(106)를 다른 열 조절 장치들(thermal regulating devices)에 커플하기 위해 사용될 수 있는 압입들(indentations)(504)선택적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5b의 투시도 및 도 5c의 측면도에 보여진 것과 같이, 상기 열 확산기(106)보다 더 높은 열 전도성을 갖는 열 확산 물질의 피스들(pieces of heat transfer material)(506)(예를 들어, 구리(copper))은 상기 열 확산기(106)에서 다른 위치들 사이에 열 전달을 개선하기 위해 상기 압입들(504)에 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 열 페이스트(thermal paste) 또는 다른 열 전달 매체(other heat transfer medium)가 상기 두 개의 부품들(components)(106, 506) 사이에 개선된 열 계면(improved thermal interface)을 제공하기 위해 상기 열 전달 물질 (506) 및 상기 열 확산기(106) 사이에 추가된다. 대체로, 상기 열 페이스트는 생략(예를 들어, 물질 비용 또는 어셈블리 비용(assembly costs)을 감소시키기 위해)되고, 상기 열 전달 물질(506)의 표면은 상기 열 확산기(106)의 표면과 물리적 접촉으로 위치된다.
도 5d는 일 실시예에 따른 배터리 어셈블리(battery assembly)(508)의 투시도를 나타낸다. 상기 배터리 어셈블리(508)는 배터리 인클로저(battery enclosure)(510) 내부에 하나 이상의 배터리 하우징(100)을 포함한다. 상기 열 확산기(106)의 효율을 더욱 개선하기 위해, 상기 열 확산기(106)는 상기 배터리 셀들(108)로부터 상기 어셈블리(508)의 외부(exterior)로 열 전도 경로(thermal conduction path)를 제공하기 위한 상기 배터리 인클로저(510)에 열적으로 커플(thermally coupled)될 수 있다. 상기 열 확산기(106)를 상기 인클로저(510)에 커플하는 것은 상기 배터리 어셈블리(508)가 상기 배터리 어셈블리(508)가 도 6에 보여진 것과 같은 전기 모터사이클(electric motorcycle)의 일부인 것과 같이, 이동 공기(moving air)에 자주 노출되는 움직이는 물체(moving object) 상에서 사용될 때 상당히 유리하다. 왜냐하면, 상기 이동 공기에 대한 노출은 상기 인클로저(510)의 외부 표면(external surface) 상에서 상당한 대류 열 전달(significant convective heat transfer)을 허용하기 때문이다.
일 실시예에서, 상기 인클로저(510)의 외부 표면은 복수의 외부 리지들(external ridges) 및 다른 상승 패턴들(elevated patterns)을 포함한다. 이것은 상기 인클로저(510)의 외부 표면 면적을 증가시키고, 개선된 열 방출(heat dissipation)을 허용한다.
상기 열 전달 물질(heat transfer material)(506)은 상기 열 확산기(106)를 상기 제2 배터리 하우징의 열 확산기에 열적으로 커플(thermally couple)하기 위해 추가적으로 사용될 수 있다. 도 5e는 열 전달 물질(506)과 함께 열적으로 커플되는 두 개의 배터리 하우징들(100A, 100B)를 수용하는 배터리 어셈블리(508)의 측면도이고, 도 5f는 상기 배터리 어셈블리(508)의 투시도이다. 도 5e에 보여진 것과 같이, 하나의 열 확산기의 제2 사이드(예를 들어, 상기 배터리 셀들 반대편 사이드)는 다른 열 확산기의 제2 사이드에 열적으로 커플된다. 두 개의 열 확산기들의 제2 사이드는 또한 열 전달 물질의 피스들(pieces of heat transfer material)과 커플될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 열 확산기들은 열 그리스(thermal grease), 열 패드(thermal pad), 또는 몇몇 다른 열 표면 물질(some other thermal interface material)과 서로 열적으로 커플된다. 또 다른 일 실시예에서, 상기 열 표면 물질은 생략되고, 상기 열 확산기들의 제2 사이드들은 서로 물리적 접촉으로 위치된다.
일 실시예에서 요구되는 두 개의 배터리 하우징(예를 들어, 더 큰 전체 저장 용량을 갖는 배터리 어셈블리(508)를 위해)은, 상기 커플링(coupling)이 두 개의 배터리 하우징들의 셀들(108) 사이에 열 전도 경로(thermal conduction path)를 형성하기 때문에 상기 두 개의 배터리 하우징들(100A, 100B)의 상기 열 확산기들(106)을 도 5e 및 도 5f에 보여진 방법으로 열적으로 커플하기에 유리하다. 그러므로, 상기 셀들(108)에 의해 생성된 열을 추가적으로 방출하기 위해, 두 개의 하우징들에서 상기 셀들(108)의 온도는 서로 가깝게 유지될 수 있다.
게다가, 멀티플 배터리 어셈블리들(multiple battery assemblies)(508)의 상기 인클로저(510)는 더 큰 전체 용량을 갖는 배터리 시스템이 요구될 때 열적으로 커플(예를 들어, 상기 탑 및 바닥 표면들(512, 514)에서)될 수 있다. 이것은 상기 멀티플 배터리 어셈블리들(multiple battery assemblies)(508)의 셀들(108) 사이에 열 전도 경로를 형성하고, 상기 배터리 어셈블리들(battery assemblies)(508)사이에 열 전달을 허용한다.
일 실시예에서, 추가적인 또는 다른 온도 조절 장치가 상기 배터리 어셈블리(508) 내부에 내장(integrated)될 수 있다. 예를 들어, 활성 액체 또는 에어 쿨링 시스템(air cooling system)은 상기 열 확산기(106), 상기 인클로저(510), 또는 상기 배터리 어셈블리(508)의 몇몇 다른 부품(some other component)에 열적으로 커플될 수 있다. 유사하게, 열 싱크들(heat sinks), 열 파이프들(heat pipes), 또는 열 확산기들(heat spreader)과 같은, 추가적인 수동 쿨링 장치들(passive cooling devices)은 상기 배터리 어셈블리(508)의 부품들(components)에 커플될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 배터리 어셈블리(508)는 특정 온도를 유지하기 위해 상기 어셈블리(508) 전반의 온도를 모니터하고 활성 쿨링 시스템(active cooling systems)을 조정하는 피드백 온도 조절기(feedback temperature controller)를 더 포함할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 전기 모터사이클(electric motorcycle)(600) 상에 탑재된 배터리 어셈블리(508)를 나타내는 도면이다. 도 6에 보여진 상기 전기 모터사이클(600)에서, 상기 배터리 어셈블리(508)는 상기 모터사이클(600)을 구동하기 위해 사용된 전기 모터(electric motor) 및 상기 모터사이클(600)의 스피드를 조절하기 위한 스로틀(throttle)과 같은, 상기 모터사이클(600)의 다른 부품들을 작동하기 위한 충분한 전력(sufficient electrical power)을 제공한다. 위에서 설명한 바와 같이, 상기 배터리 인클로저는 상기 모터사이클(600)이 동작하는 동안 이동 공기에 노출되기 때문에 상기 배터리 어셈블리(508) 내부에서 열 확산기들에 커플된 배터리 인클로저를 갖는 상기 배터리 어셈블리(508)를 사용하는 것은 유리하다.
도 6에 보여진 상기 배터리 어셈블리(508)는 상기 전기 모터사이클(600)의 상기 프레임에 맞도록 구성되고, 요구되는 상기 배터리 어셈블리(508)는 선택적으로 다른 응용들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리 어셈블리(508)는 전기 자동차(electric automobile)의 일부, 비행기(airplane) 의 일부로서 사용될 수 있고, 또는 고정 전기 생성기(stationary electric generator)에 의해 생성된 전기 에너지를 저장하기 위해 사용될 수 있다. 게다가, 여기에서 상기 배터리 하우징에 대하여 설명된 각 피쳐들 및 상기 배터리 어셈블리(508)는 다른 장치들에 여기에서 설명된 다른 피쳐들에 독립적으로 응용될 수 있다. 예를 들어, 도 3a 내지 도 3b를 참조하여 설명된 상기 싱글-사이드 전기 상호 접속부들(single-side electrical interconnects)은 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명된 정렬 피쳐들 또는 도 5a 내지 도 5f를 참조하여 설명된 방열 피쳐들(heat dissipation features)을 포함하지 않는 장치에서 배터리 셀들을 연결하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명이 속하는 통상의 기술자는 배터리 하우징를 위한 추가적인 대안의 설계를 인지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 특정 실시예들 및 어플리케이션이 도면과 함께 설명되었으며, 여기에 기술된 정확한 구조 및 구성 요소에 국한되지 않은 것으로 이해될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 다양한 수정, 변경 및 변형은 여기에 기술된 본원의 방법 및 장치의 어레인지먼트, 동작 및 세부 설명으로 본 명세서의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.

Claims (54)

  1. 배터리 하우징(battery housing)에 있어서,
    복수의 배터리 셀들(a plurality of battery cells)을 포함하는 배터리 프레임(battery frame) -각 배터리 셀은 제1 단부(a first end) 및 상기 제1 단부의 반대편의 제2 단부(a first end)를 구비하고, 각 배터리 셀은,
    상기 배터리 셀의 제1 단부에 위치된 양극 단자(positive terminal);
    상기 배터리 셀의 제1 단부에 위치되고 상기 양극 단자로부터 전기적으로 절연된 전도성 구조(conducting structure); 및
    상기 배터리 셀의 상기 제2 단부에 위치되고 상기 전도성 구조와 전기적으로 커플된(coupled to) 음극 단자(negative terminal)
    를 포함하고,
    상기 배터리 셀들 중 적어도 일부는 상기 배터리 프레임 내에서 배향되어(oriented) 상기 배터리 셀들의 상기 제1 단부들은 서로 정렬됨-; 및
    상기 배터리 셀들을 전기적으로 연결하는 복수의 상호 접속부들 (a plurality of interconnects) - 상기 상호 접속부들은 상기 배터리 셀들의 양극 단자들 및 전도성 구조들에 전기적 연결(electrical connections)을 생성함-
    을 포함하는 배터리 하우징.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 상호 접속부는 전기 전도성 물질(electrically conductive material)의 일체(single piece)로 구성되는
    배터리 하우징.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 구조는 크림프 구조(crimp structure)를 포함하는
    배터리 하우징.
  4. 제3항에 있어서,
    각 배터리 셀은 상기 음극 단자를 상기 크림프 구조에 전기적으로 커플(electrically coupling)하는 전도성 쉘(conductive shell)
    을 더 포함하는 배터리 하우징.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상호 접속부들 중 적어도 일부를 상기 크림프 구조들에 부착하는 제1 스티치 본드들(first stitch bonds); 및
    상기 상호 접속부들 중 적어도 일부를 상기 양극 단자들에 부착하는 제2 스티치 본드들(second stitch bonds)
    을 더 포함하는 배터리 하우징.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀들의 제1 단부들에 근접하여(in close proximity) 위치되고, 두 개 이상의 상기 배터리 셀들에 전기적으로 커플된 전도성 트레이스(conductive trace)를 포함하는 회로 보드(circuit board)
    를 더 포함하는 배터리 하우징.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전도성 트레이스는 전압 모니터(voltage monitor)에 전기적으로 커플되는
    배터리 하우징.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상호 접속부들은 적어도 두 개의 상기 배터리 셀들 사이에 직렬 연결(series connection)을 생성하는
    배터리 하우징.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 상호 접속부들은 적어도 두 개의 상기 배터리 셀들 사이에 병렬 연결(parallel connection)을 생성하는
    배터리 하우징.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 상호 접속부들은 적어도 두 그룹의 배터리 셀들 사이에 직렬 연결을 생성하고, 상기 상호 접속부들은 각 그룹 내의 배터리 셀들 사이에 병렬 연결을 더 생성하는
    배터리 하우징.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 상호 접속부들은 적어도 두 그룹의 배터리 셀들 사이에 병렬 연결을 생성하고, 상기 상호 접속부들은 각 그룹 내의 배터리 셀들 사이에 직렬 연결을 더 생성하는
    배터리 하우징.
  12. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 상호 접속부는 임계 전류(threshold current)를 초과하는 전류가 상기 상호 접속부에 흐르는 것에 응답하여 상기 상호 접속부의 전기적 연결을 끊도록 구성되는
    배터리 하우징.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 프레임은 적어도 126개의 배터리 셀들을 수용하는(contain)
    배터리 하우징.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 상호 접속된 배터리 셀들은52.2볼트(volts) 내지 55.2볼트 사이의 전압 생성이 가능한
    배터리 하우징.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 상호 접속된 배터리 셀들은 -54 암페어(amperes) 내지 120암페어 사이의 전류 생성이 가능한
    배터리 하우징.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀들은 상기 배터리 프레임 내에서 육방 밀집된(hexagonally packed)
    배터리 하우징.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀들은 상기 배터리 프레임 내에서 배향되어 상기 배터리 셀들의 제2 단부들이 동일 평면(coplanar) 상에 있게 되는
    배터리 하우징.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀들은 원기둥(cylindrical) 형상인
    배터리 하우징.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 하우징은 모터사이클(motorcycle)의 프레임에 맞도록 구성되고, 상기 배터리 셀들은 상기 모터사이클에 전력을 공급하기에 충분한
    배터리 하우징.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀들은 리튬 이온 셀들(lithium ion cells)인 것
    을 특징으로 하는 포함하는 배터리 하우징.
  21. 전기 모터사이클(electric motorcycle)에 있어서,
    상기 모터사이클을 구동하도록 사용되는 전기 모터(electric motor); 및
    상기 전기 모터에 전력(electrical power)을 제공하는 배터리 어셈블리(battery assembly)
    를 포함하고,
    상기 배터리 어셈블리는,
    복수의 배터리 셀들(plurality of battery cells); 및
    복수의 배터리 셀 격실들(battery cell compartments)을 포함하는 배터리 프레임(battery frame)
    을 포함하고,
    각 배터리 셀 격실은 상기 배터리 셀들 중 하나를 유지하고(holding),각 배터리 셀 격실은,
    상기 배터리 셀 격실에서 유지되는 상기 배터리 셀을 마주보는(facing) 내부 표면(interior surface); 및
    상기 내부 표면 상에 형성되고, 상기 배터리 셀에 접촉하기 위해 상기 내부 표면으로부터 돌출됨으로써 상기 내부 표면 및 상기 배터리 셀 사이에 에어 갭(air gap)을 생성하는 복수의 정렬 피쳐들(a plurality of alignment features)을 포함하는
    전기 모터사이클.
  22. 복수의 배터리 셀 격실들(battery cell compartments)
    을 포함하고,
    각 배터리 셀 격실은 배터리 셀을 유지하도록 구성되고,
    상기 각 배터리 셀 격실은,
    상기 배터리 셀 격실에서 유지되는 상기 배터리 셀을 마주보는 내부 표면; 및
    상기 내부 표면 상에 형성되고, 상기 배터리 셀에 접촉하기 위해 상기 내부 표면으로부터 돌출됨으로써 상기 내부 표면 및 상기 배터리 셀 사이에 에어 갭(air gap)을 생성하는 복수의 정렬 피쳐들을 포함하는
    배터리 프레임.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 정렬 피쳐들은 0.1mm보다 크고 2.0mm보다 작은 돌출 거리로 상기 내부 표면으로부터 돌출되는
    배터리 프레임.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 복수의 정렬 피쳐들은,
    상기 배터리 셀 격실의 제1 단부를 향해 형성된 정렬 피쳐들의 제1 세트; 및
    상기 배터리 셀 격실의 제2 단부를 향해 형성된 정렬 피쳐들의 제2 세트
    를 포함하고,
    상기 제2 단부는 상기 제1 단부의 반대편인
    배터리 프레임.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 정렬 피쳐들의 제1 세트는 세 개 이상의 정렬 피쳐들을 포함하고, 상기 정렬 피쳐들의 제2 세트는 세 개 이상의 정렬 피쳐들을 포함하는
    배터리 프레임.
  26. 제22항에 있어서,
    상기 정렬 피쳐들은 상기 배터리 셀 격실의 종 방향(longitudinal direction)을 따라 연장하는
    배터리 프레임.
  27. 제22항에 있어서,
    상기 배터리 셀 격실들은 상기 각각의 배터리 셀들 사이에 물리적 배리어(physical barrier)를 제공하는
    배터리 프레임.
  28. 제22항에 있어서,
    상기 내부 표면은 상기 배터리 셀을 둘러싸는 내부 벽을 포함하는
    배터리 프레임.
  29. 제22항에 있어서,
    상기 배터리 셀 격실들은 육각형 패턴(hexagonal pattern)으로 배열되는
    배터리 프레임.
  30. 제22항에 있어서,
    상기 배터리 프레임은 모터사이클의 프레임에 맞도록 구성되는
    배터리 프레임.
  31. 제22항에 있어서,
    상기 배터리 프레임은 적어도 126개의 배터리 격실들(battery compartments)을 포함하는
    배터리 프레임.
  32. 제22항에 있어서,
    상기 배터리 프레임은 3000입방 센치미터(cubic centimeters) 이하의 부피를 갖는
    배터리 프레임.
  33. 제22항에 있어서,
    상기 배터리 셀들을 더 포함하는
    배터리 프레임.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 배터리 프레임 내의 상기 배터리 셀들은 2.0볼트 내지 4.2볼트 사이의 전압 생성이 가능한
    배터리 프레임.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 배터리 프레임 내의 상기 배터리 셀들은 -9암페어 내지 20암페어 사이의 전류 생성이 가능한
    배터리 프레임.
  36. 제22항에 있어서,
    상기 배터리 셀 격실들은 원기둥 형상인
    배터리 프레임.
  37. 배터리 어셈블리에 있어서,
    배터리 수단(battery means); 및
    상기 배터리 수단을 지탱하는 격실 수단(compartment means)을 포함하고,
    상기 격실 수단 (compartment means)은 상기 배터리 수단 및 상기 격실 수단의 나머지 사이에 에어 갭을 생성하는 정렬 수단(alignment means) 포함하는
    배터리 어셈블리.
  38. 전기 모터사이클(electric motorcycle)에 있어서,
    상기 모터 사이클을 구동하도록 사용되는 전기 모터(electric motor); 및
    상기 전기 모터에 전력을 제공하는 배터리 어셈블리(battery assembly)
    를 포함하고,
    상기 배터리 어셈블리는,
    복수의 배터리 셀들 -각 배터리 셀은 상기 배터리 셀의 제1 단부에 양극 단자를 포함하고, 상기 배터리 셀의 제2 단부에 음극 단자를 포함하고, 상기 제2 단부는 상기 제1 단부의 반대편임 -;
    열 전도성 물질(a thermally conductive material)로 형성된 열 확산기(heat spreader); 및
    상기 배터리 셀들의 상기 제2 단부들 및 상기 열 확산기 사이에 위치된 열 계면(thermal interface)
    을 포함하고,
    상기 열 계면은 상기 배터리 셀들의 상기 제2 단부를 상기 열 확산기에 열적으로 커플 (thermally couples)하는 물질의 싱글 레이어(single layer)를 포함하는
    전기 모터사이클.
  39. 배터리 어셈블리(battery assembly)에 있어서,
    복수의 배터리 셀들- 각 배터리 셀은 상기 배터리 셀의 제1 단부에 양극 단자를 포함하고, 상기 배터리 셀의 제2 단부에 음극 단자를 포함하고, 상기 제2 단부는 상기 제1 단부의 반대편임 -;
    열 전도성 물질로 형성된 열 확산기; 및
    상기 배터리 셀들의 상기 제2 단부들 및 상기 열 확산기 사이에 위치된 열 계면(thermal interface)
    을 포함하고,
    상기 열 계면은 상기 배터리 셀들의 상기 제2 단부를 상기 열 확산기에 열적으로 커플(thermally couples)하는 물질의 싱글 레이어(single layer)를 포함하는
    배터리 어셈블리.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 열 계면은 상기 배터리 셀들의 상기 제2 단부에 접촉하고 전기적으로 비전도성인 물질을 포함하는
    배터리 어셈블리.
  41. 제39항에 있어서,
    상기 열 계면은,
    상기 배터리 셀들의 제2 단부들에 접촉하고 전기적으로 전도성인 물질(material); 및
    상기 물질 및 상기 역 확산기 사이의 코팅(coating)
    을 포함하고,
    상기 코팅은 상기 배터리 셀들 및 상기 열 확산기 사이에 전기적 전도성을 억제하는
    배터리 어셈블리.
  42. 제39항에 있어서,
    상기 열 확산기는,
    제1 사이드(first side) 및 제2 사이드(second side)를 갖는 열 전도성 물질의 거의 평평한 피스(substantially flat piece of thermally conductive material)
    를 포함하고,
    상기 제1 사이드는 상기 열 계면과 접촉하는
    배터리 어셈블리.
  43. 제39항에 있어서,
    상기 열 확산기는,
    제1 사이드 및 제2 사이드를 갖는 열 전도성 물질의 거의 평평한 피스 (substantially flat piece of thermally conductive material) -상기 제1 사이드는 상기 열 계면과 접촉하고, 상기 제2 사이드는 하나 이상의 압입들(indentations)을 포함함-; 및
    상기 압입들에 위치된 열 전달 물질(one or more pieces of heat transfer material)의 하나 이상의 피스들 -상기 열 전달 물질은 상기 열 전도성 물질보다 더 높은 열 전도성을 가짐-
    을 포함하는 배터리 어셈블리.
  44. 제39항에 있어서,
    상기 열 확산기는 2-상 열 전달 장치(two-phase heat transfer device)인
    배터리 어셈블리.
  45. 제39항에 있어서,
    제2 복수의 배터리 셀들(second plurality of battery cells) -각 배터리 셀은 상기 배터리 셀의 제1 단부에 양극 단자 및 상기 배터리 셀의 제2 단부에 음극 단자를 포함하고, 상기 제2 단부는 상기 제1 단부의 반대편임 -; 및
    상기 제2 배터리 셀들의 상기 제2 단부 및 상기 열 확산기 사이에 위치한 제2 열 계면(second thermal interface) -상기 제2 열 계면은 상기 배터리 셀들의 상기 제2 단부들을 상기 열 확산기에 열적으로 커플함-;
    을 더 포함하고,
    상기 열 확신기는 두 개의 사이드들(two sides)을 갖고, 상기 두 개의 열 계면들(two thermal interfaces)은 상기 열 확산기의 다른 사이드들에 열적으로 커플되는
    배터리 어셈블리.
  46. 제39항에 있어서,
    상기 열 확산기에 열적으로 커플된 배터리 인클로저(battery enclosure)
    를 더 포함하고,
    상기 배터리 셀들은 상기 배터리 인클로저 내부에 위치되는
    배터리 어셈블리.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 배터리 인클로저는 상기 배터리 인클로저의 외부 표면 상에 형성된 복수의 리지들(ridges)을 포함하는
    배터리 어셈블리.
  48. 제39항에 있어서,
    상기 배터리 어셈블리는 적어도 126개의 배터리 셀들을 수용하는
    배터리 어셈블리.
  49. 제39항에 있어서,
    상기 배터리 셀들은 2.0볼트 내지 4.2볼트 사이의 전압 생성이 가능한
    배터리 어셈블리.
  50. 제39항에 있어서,
    상기 배터리 셀들은 -9암페어 내지 20암페어 사이의 전류 생성이 가능한
    배터리 어셈블리.
  51. 제39항에 있어서,
    상기 배터리 셀들은 육방 밀집된(hexagonally packed)
    배터리 어셈블리.
  52. 제39항에 있어서,
    상기 배터리 셀들은 상기 배터리 셀들의 제2 단부들이 동일 평면(coplanar)이 되도록 위치되는
    배터리 어셈블리.
  53. 제39항에 있어서,
    상기 배터리 어셈블리는 모터사이클의 프레임에 맞도록 구성되고, 상기 배터리 셀들은 상기 모터사이클에 전력을 공급하기에 충분한
    배터리 어셈블리.
  54. 배터리 어셈블리(battery assembly)에 있어서,
    음극 단자 수단(negative terminal means)을 구비하는 배터리 수단(battery means);
    열 확산 수단(means for spreading heat); 및
    상기 음극 단자 수단 및 상기 열 확산 수단(heat spreading means) 사이에 위치된 열 인터페이스 수단(thermal interface means)
    을 포함하고,
    상기 열 인터페이스 수단은 상기 음극 단자 수단을 상기 열 확산 수단에 열적으로 커플하는(thermally coupling)
    배터리 어셈블리.
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