KR20190072481A - 배터리 팩 내의 가스를 모니터링 하기 위한 시스템 및 모니터링 시스템을 위한 안전 밴트를 내장하기 위한 단자-형성 부싱을 포함하는 이와 관련된 금속-이온 전기화학 축전지 - Google Patents

배터리 팩 내의 가스를 모니터링 하기 위한 시스템 및 모니터링 시스템을 위한 안전 밴트를 내장하기 위한 단자-형성 부싱을 포함하는 이와 관련된 금속-이온 전기화학 축전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 배터리 팩 내에 있는 가스를 모니터링 하는 시스템에 관한 것으로서, 다음을 포함한다:
- 금속-이온 전기화학 축전지(A1-A4)를 포함하는 배터리 팩(P),
- 각각의 축전지에서 발생되어 열-전달 액체 안에서 순환 되어지는 가스를 검출하고 수집하기에 적합한 팽창 용기(90)를 포함하며, 축전지를 냉각 또는 가열하기 위한 열-전달 액체 회로(C1 및/또는 C2);
또한, 각 금속-이온 전기화학 축전지는, 가스에 대해 투과성이고 열-전달 유체에 비투과성인 파열 멤브레인(67)을 포함하며, 상기 멤브레인은 축전지에 의해 발생된 가스가 외부로 통과하는 것을 허용하도록 축전지 내에 배치되고 고정된다.

Description

배터리 팩 내의 가스를 모니터링 하기 위한 시스템 및 모니터링 시스템을 위한 안전 밴트를 내장하기 위한 단자-형성 부싱을 포함하는 이와 관련된 금속-이온 전기화학 축전지{SYSTEM FOR MONITORING GASES IN A BATTERY PACK, ASSOCIATED METAL-ION ELECTROCHEMICAL ACCUMULATOR COMPRISING A TERMINAL-FORMING BUSHING FOR INCORPORATING A SAFETY VENT FOR THE MONITORING SYSTEM}
본 발명은 금속-이온 축전지 분야에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 튜브 안에 정렬되고 전기적 직렬인 금속-이온 축전지 모듈을 다룬다.
본 발명은 배터리 팩 안의 축전지간 전기적 및 열적 균일성을 개선하는 것을 우선 목적으로 한다.
이를 위해서, 본 발명은 동일한 하나의 통합된(unitary) 축전지로 된 팩에 대해 모듈식 전기적 및 열적 관리를 제안한다.
최종적으로, 본 발명은 전기적 구동, 전기적 제어, 가스의 열적 제어 및 검출을 통한 팩의 안전성 강화를 제공한다.
리튬-이온 축전지를 참조로 하여 설명하지만, 본 발명은 임의의 금속-이온 전기화학 축전지에 적용되며, 이를테면 나트륨-이온, 마그네슘-이온, 알루미늄-이온 축전지 등에도 적용된다.
도 1 및 도 2에 개략적으로 도시한 바와 같이, 리튬-이온 배터리 혹은 축전지는 대개 적어도 하나의 전기화학 셀(C)을 포함한다. 전기화학 셀(C)은 양극 또는 캐소드(2)와 음극 또는 애노드(3) 사이의 전해질 구성요소(1), 캐소드(2)에 연결된 집전판(4), 애노드(3)에 연결된 집전판(5), 그리고, 마지막으로, 집전판(4, 5)의 일부는 통과시키면서 씰-밀봉성(seal-tightness)을 가지고 전기화학 셀을 수용하도록 마련된 패키징(6)으로 구성된다.
몇 가지 형태의 축전지 아키텍쳐 구조가 알려져 있다.
- 특허 출원 US　2006/0121348에 개시된 원통형 구조,
- 등록 특허 US 7348098 및 US 7338733에 개시된 각형 구조;
- 특허 출원 US 2008/060189, US　2008/0057392, 및 등록 특허 US 7335448에 개시된 스택 구조.
전해질 구성요소(1)는 고체, 액체 또는 겔 형태일 수 있다. 겔 형태에서, 상기 구성요소는 폴리머 분리막을 포함할 수 있는데, 이것은 세라믹으로 만들어지거나 유기 전해질로 함침된 미세다공성 복합체로 만들어지거나 이온 액체 타입이고, 충전시 캐소드에서 애노드로의 리튬 이온 이동을 허용하고, 방전시에는 반대로 되어, 전류를 발생시킨다. 전해질은 보통 유기 용매 혼합물인데, 예를 들어 리튬 염, 보통 LiPF6, 이 첨가된 카보네이트이다.
양극 또는 캐소드(2)는 리튬 양이온 삽입 재료로 구성되는데 이것은 대개 복합체이고, LiFePO4, LiCoO2, LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2가 그러하다.
음극 또는 애노드(3)는 때때로 그라파이트 카본이나 Li4TiO5O12(티탄산염 재료)로 구성되며, 실리콘 또는 실리콘계 복합체를 기반으로 할 수도 있다.
양극에 연결된 집전판(4)는 보통 알루미늄으로 만들어진다.
음극에 연결된 집전판(5)는 보통 구리, 니켈-도금 구리 또는 알루미늄으로 만들어진다.
리튬-이온 배터리 또는 축전지는, 물론, 서로 겹쳐 쌓여 있는 다수의 전기화학 셀을 포함할 수 있다.
전통적으로, Li-이온 배터리 또는 축전지는 고전압 레벨, 보통 3.6 볼트로 동작할 수 있게 하는 애노드 재료 및 캐소드 재료의 쌍을 이용한다.
목표로 하는 응용의 유형에 따라, 얇은 플렉서블(flexible) 리튬-이온 축전지 또는 단단한(rigid) 축전지를 제조하는 것이 목적이며; 그러면 패키징은 휘어지거나 휘어지지 않고, 휘어지지 않는 경우 일종의 케이스를 구성한다.
플렉서블 패키징은 대개 하나 이상의 폴리머막이 접합에 의해 라미네이트되어 알루미늄을 피복함으로써 층들이 쌓여진, 다층 복합체 재료로부터 제조된다.
단단한 패키징은, 예를 들어, 고압을 견뎌야 하고 씰-밀봉성 수준이 보통 10-8　mbar.l/s 미만으로 엄격히 요구되거나, 항공 또는 우주 영역과 같이 높은 제약을 가진 매질 안에서, 목표로 하는 응용이 장수명을 요구하는 것일 때 사용된다.
또한, 지금까지, 사용되어 온 단단한 패키징은 금속성 케이스로 이루어지며, 이것은 금속으로 보통 만들어지고, 보통 스테인리스 스틸 (inox 316L 또는 inox 304) 또는 알루미늄 (Al 1050 또는 Al 3003), 또는 티타늄인 금속이다. 더욱이, 알루미늄은 이하에서 설명하는 바와 같이 열전도율이 높기 때문에 일반적으로 선호된다.
Li-이온 축전지 패키징에서 단단한 케이스 대부분의 구조는 원통형인데, 대부분의 축전지의 전기화학 셀은 원통형 맨드렐 주변으로 원통형 구조에 맞춰 감는 방식에 의해 권취되기 때문이다. 각형 케이스 형태도 각형 맨드렐 주변으로 감아 이미 제조되고 있다.
특허 출원 FR3004292는 금속-이온 축전지의 권취된 셀의 중심부 냉각(core cooling)을 위한 에어 블레이드(air blade)로서 맨드렐의 내부를 사용하는 것에 대해 설명하고 있다.
대개 고-용량 Li-이온 축전지를 위해 제조되는, 원통형의 단단한 케이스의 한 형태가 도 3에 도시되어 있다.
각형의 단단한 케이스도 도 4에 도시되어 있다.
케이스(6)는 원통형 측면 재킷(lateral jacket, 7), 일단에 위치한 바닥(8), 타단에 위치한 커버(9)를 포함하고, 바닥(8)과 커버(9)는 재킷(7)에 결합되어 있다. 커버(9)는 극(poles) 또는 전류 출력 단자(4, 5)를 지지한다. 출력 단자(극) 중 하나, 예를 들어 양극 단자(4), 는 커버(9) 상으로 웰딩되어 있는 반면에, 다른 출력 단자, 예를 들어 음극 단자(5)는 음극 단자(5)를 커버로부터 전기적으로 절연시키는 미도시의 씰(seal) 삽입을 통해 커버(9)를 관통하고 있다.
널리 제조되고 있는 단단한 케이스 유형은 스탬프된 컵과 그 주변으로 함께 레이저 웰드된 커버로 이루어지기도 한다. 한편, 집전판은 케이스 상단에 돌출되어 단자를 형성하는 부분을 가지며 배터리의 겉보기 극(apparent pole)이라고도 부르는, 부싱을 포함하고 있다.
이러한 단자를 제조하는 어려움은 강건한 디자인을 갖도록 배터리의 여러 부품을 조립하는 데에서 주로 발생된다. 특정 전기화학 페어링(pairing)과 양립 가능하려면 사용되는 재료의 성질도 중요하다. 사실, Li-이온 기술은 축전지 내에 가급적 가능한 한 순수한 등급의 알루미늄을 선택할 것이 요구되는데, 이는 오염원의 출현과, 전해질과 만나 생기는 갈바닉 커플(부식을 일으킬 수도 있음)을 방지하기 위해서이다.
더욱이, 씰-밀봉(seal-tight) 부싱 유형의 단자는 기계적으로 강건하고 다음의 조건들을 만족시켜야 한다:
- 축전지 조립 단계 동안에 변형되지 않을 것;
- 모듈 형태로 축전지가 조립되는 것을 허용하면서, 일반적으로 3　N.m 보다 큰, 조임 토크(tightening torque)를 견딜 것;
- 축전지가 사용되는 수명동안 온전히 유지될 것, 즉 변형이나 누설(leak)없이 진동, 기계적 충격, 온도 및 압력 변화 등을 견딜 것;
- 전력용으로 사용할 수 있도록, 5　Ah 미만의 공칭 용량을 가진 축전지의 경우라면, 50 A를 넘을 수 있는 고전류 드레인을 허용할 것.
단자-형성 부싱과 집전판, 케이스 커버의 유리한 조립체의 예는 본 출원인이 2017년 9월 1일에 PCT/EP2017/071951 번호로 출원한 국제 출원에 설명되어 있다.
배터리 팩(P)은 일반적으로 흔히 버스바라고 부르는 바(bar)를 연결함으로써 직렬 또는 병렬로 전기적 연결되고, 수 천개에 이를 수도 있는, 변화를 줄 수 있는 개수의 축전지로 이루어진다.
도 5에 배터리 팩(P)의 일 예가 도시되어 있다. 이 팩은 두 개의 Li-이온 축전지(A) 모듈(M1, M2)로 이루어져 있다. 모듈(M1, M2)은 서로 동일하고 직렬 연결되어 있으며, 각 모듈(M1, M2)은 병렬 연결된 사 열의 축전지로 이루어져 있고, 각 열은 여섯 개의 Li-이온 축전지로 이루어져 있다.
도시한 바와 같이, 하나의 열 안에서 두 Li-이온 축전지 사이의 기계적 및 전기적 연결은 버스바(B1)를 조여 제공하는데, 버스바(B1)는 구리로 만들어지는 것이 유리하며, 각각은 양극 단자(4)와 음극 단자(5)를 연결한다. 각 모듈(M1, M2) 안에서 두 평행한 열 안의 축전지 사이 연결은 버스바(B2)에 의해 확보되는데, 버스바(B2)도 구리로 만들어지는 것이 유리하다. 두 모듈(M1, M2) 사이의 연결은 버스바(B3)에 의해 확보되고, 버스바(B3)도 구리로 만들어지는 것이 유리하다.
리튬-이온 배터리의 개발 및 제조에 있어서, 각 새로운 응용에 특화된 충전/방전 프로파일을 위해서는, 시장에서 어떤 회사이든지, 강력하고 안전한 배터리 팩을 최적으로 디자인하기 위한 정확한 치수화(직렬/병렬 전기적 아키텍쳐, 기계적, 열적 등)가 필요하다.
리튬 전기화학 시스템은, 셀, 모듈 또는 팩 스케일인지에 관계없이, 주어진 사이클링 프로파일이 무엇이든 발열 반응을 한다. 따라서, 통합된 축전지 스케일 상에서, 고려되는 화학 작용에 따라, 리튬-이온 축전지의 최적화된 동작은 특정 온도 범위 내로 제한된다.
축전지는 외부 케이스를 보통 70℃ 미만으로 온도 조절해야 하는데, 가스 발생 및 폭발 및/또는 화재를 가져오는 초기의 열폭주를 방지하기 위해서이다.
또한, 70℃ 미만으로 온도를 유지함으로써 그 수명을 증가시킬 수 있는데, 축전지의 동작 온도가 높아질수록 그 수명이 더 많이 감소하기 때문이다.
더욱이, 일부 축전지는 화학 작용이 주위 온도보다 높은 동작 온도를 요구한 결과, 축전지를 초기 예열하고 나아가 축전지를 일정한 온도에 유지함으로써 그 온도 수준을 조정해야 할 필요가 있다.
배터리, 또는 몇몇의 Li-이온 축전지를 가진 배터리 팩에서, 축전지를 다소 다르게 직렬 또는 병렬 연결하면 팩의 성능 수준 및 내구성 결과에 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 예를 들어 전기 차량의 배터리 팩에서, 기능에 따라, 예를 들어 축전지의 위치, 축전지간의 노화 불균형 또는 사용의 차이(팩의 코어와 가장자리 사이의 열적 변화, 전류 구배, 등)에 따라, 노화 분산이 클 수 있다는 것이 인식된다. 그러므로, 하나의 팩 안에서 20% 정도의 건강 상태(State-Of-Health : SOH) 차이가 관찰될 수 있다.
또한, 팩의 때 이른 노화를 제한하기 위하여, 동작 온도 및 축전지간의 온도 분산을 최적화할 필요가 있다. 다른 축전지보다 빠르게 노화되는 축전지(또는 축전지들)는 전체적인 배터리 팩의 전기적 성능 수준에 직접적인 영향을 끼칠 수 있다.
모듈 및 팩 스케일 상에서, 예를 들어 보통 0℃ 미만에서는, 축전지의 열화를 방지하기 위해 그리고 팩의 요구 전력(power demanded)을 제한하기 위해, BMS를 통한 특정 제어를 사용할 필요가 있을 수 있다.
여기에 상기해 보자면, BMS(“배터리 관리 시스템” 의 동의어)는 여러 축전지의 상태(충전 상태(state of charge), 건강 상태 등)를 모니터하고 너무 높아서는 안되는 전류, (너무 높거나 너무 낮은) 부적당한 전위, 온도 제한 과 같은 여러 안전성 요소를 제어하기 위해 사용되며, 따라서 그 기능은 특히 문턱 전압값, 다시 말해, 두 활성 삽입 재료 사이의 포텐셜 차이, 에 도달하면 전류의 인가를 중단시키는 것이다. 그러므로 BMS는 문턱 전압에 도달하자마자 (충전, 방전) 전류 인가를 중단시킨다.
더 높은 온도, 보통 70℃ 정도, 에서는 경계해야 하는데, 이 온도에서의 전기화학 반응은 통합된 축전지의 파괴에 이를 수 있고, 보통은 내부 회로 단락이지만 심한 경우 팩의 폭발에 이르게 되는 축전지의 내부 결함 전파를 야기할 수 있기 때문이다. 이 경우, 축전지를 보호하기 위하여, BMS를 사용할 필요도 있다.
결과적으로, 배터리 팩은 전압 균형을 발생하기 위하여 매우 강력한 BMS를 요구하는 것이 일반적이다.
한편, 열적으로 균형이 잡힌 배터리 팩의 필요성도 잘 알려져 있다.
배터리 팩 내에서 온도의 균일성을 보장하는 것은 어려움이 있다.
문헌에서, 배터리 팩 내의 온도 균일성을 보장하기 위한 해결책으로 개시된 것들은 근본적으로 다음 세 가지 범주로 분류할 수 있다.
첫번째 범주는 배터리 팩 내에서 열-전달 유체(기상 또는 액체)가 순환하도록 하는 해결책에 관한 것이다.
등록 특허 US5320190은 주행시 차량에 부딪히는 공기를 직접적으로 이용하거나 주차 상태 또는 주행 직후에 팬을 사용하여 차량용 배터리 팩을 냉각하는 공기 순환을 제안한다.
등록 실용신안 CN202259596U는 공기 분배기(air distributors)를 포함하는 배터리 팩을 제안한다.
특허 출원 WO2012/165781에는, 배터리 모듈 사이의 온도 편차를 줄이는 것이 선험적으로 가능한 공기 가이딩 플레이트(air guiding plates) 시스템이 제안되어 있다.
공기 대신에 냉매(coolant)가 사용될 수 있다. 하지만, 고려되는 응용에 따라서는, 비용, 부피의 문제 및 추가의 질량이 지배적인 요인이 될 수 있다.
예를 들어, 공기 냉각은 축전지 사이의 강제 공기 환기를 수반하므로, 가장 저렴한 해결책이다. 반면에, 낮은 교환율과 낮은 열적 관성(inertia) 때문에 공기 냉각의 열적 성능 수준은 저품질이다. 그러므로, 이러한 유형의 냉각에서, 첫번째 축전지는 공기와의 접촉에도 불구하고 데워지고 공기 온도도 증가한다. 두번째 축전지 위를 지나면서 공기가 더 뜨거워지고 축전지도 첫번째 축전지보다 뜨거워진다. 따라서, 온도가 불균일한 축전지를 얻고 만다.
액체 냉각 해결책이 상당히 더 효과적이다.
예를 들어, 특허 출원 WO2008/156737 및 US2013/196184는 원통형 축전지의 둘레(periphery) 일부를 상호 평행하게 각각 따르는 채널을 가진 시스템을 제안한다. 열-전달 액체는 이러한 채널 내부를 유동해 열을 배출한다.
등록 특허 US8877366은 축전지 사이에 삽입된 핀(fin)을, 열 전도에 의해 냉각시키는, 외부 튜브 내에 유동하는 액체에 근거한 냉각 해결책에 관한 것이다.
두번째 범주는 냉각판(cold plates) 사용에 관한 것이다.
등록 특허 US8609268은 냉각판과 접촉하는 축전지로부터 열을 배출할 수 있도록, 냉각제가 그 내부를 유동하는 냉각판 시스템을 개시한다.
특허 출원 WO2011/013997은 평판형 셀의 스택 내부에 마련된 냉각 핀을 제안하는데, 이것은 셀로부터의 열을 스택의 바닥에서 순환하고 있는 유체쪽으로 배출한다.
세번째 범주는 상-변화 물질에 의한 냉각에 관한 것이다. 이에 따라, 특허 출원 US2006/0073377은 상-변화 물질 안에 매립된 셀의 온도 조정을 제안한다. 이 재료는 전기화학 셀을 포함하는 단단한 재킷 내부에 마련되고 인접 셀들 사이를 채운다.
지금까지 제안된 모든 해결책은 동작 중인 축전지의 온도 수준이 높게 머물고 축전지 사이의 온도 균일성이 불충분하기 때문에 충분히 만족스럽지는 않다.
금속-이온 축전지 열적 관리 해결책을 개선할 필요가 있다. 특히 금속-이온 축전지를 조립하여 배터리 팩으로 형성할 때에 그들을 균일하게 하고 동작 중의 온도를 감소시켜 수명을 증가시키며 파워, 부피 및 무게 관점에서 최적화된 모듈식 팩을 정의할 수 있도록 하기 위해 그럴 필요가 있다.
더욱이, 이 개선은 특히 가스의 발생 및/또는 열폭주 때문에, 각 축전지의 동작 안선성을 제어할 필요를 해치면서 이루어져서는 안된다.
본 발명의 과제는 이러한 요구들을 적어도 부분적으로 해결하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 그 중 하나의 측면에서, 그리고 제1 대안에 따라서, 다음을 포함하는 축전지 모듈에 관한 것이다:
- 튜브;
- 다수의 금속-이온 축전지, 각 축전지는 캐소드, 애노드 및 캐소드와 애노드 사이에 삽입된 전해질로 형성된 전기화학 셀(C)과, 씰-밀봉성(seal-tightness)을 가지고 전기화학 셀을 수용하도록 마련된 케이스를 포함하고, 전기화학 셀은 맨드렐 주변으로 감아 권취된 것이며; 축전지는 그 종축(X)을 따라 동축으로 튜브 내부에 마련되고; 축전지는 서로간에 전기적 직렬 연결되어 있는 것이며;
- 적어도 맨드렐 길이에 걸쳐 축전지 안에서 열-전달 유체를 순환시키도록 하는 열-전달 액체 회로(heat-transfer liquid circuit).
제1 대안과 독립적이거나 제1 대안에 조합될 수 있는 제2 대안에 따르면, 본 발명은 다음을 포함하는 축전지 모듈에 관한 것이다:
- 적어도 하나의 튜브;
- 다수의 금속-이온 축전지, 여기서 각 축전지는 캐소드, 애노드 및 캐소드와 애노드 사이에 삽입된 전해질로 형성된 전기화학 셀(C)과, 씰-밀봉성을 가지고 전기화학 셀을 수용하도록 마련된 케이스를 포함하고, 전기화학 셀은 맨드렐 주변으로 감아 권취된 것이며; 축전지는 그 종축(X)을 따라 동축으로 튜브 내부에 마련되고; 축전지는 서로간에 전기적 직렬 연결되어 있는 것이며;
- 축전지 케이스의 전체 둘레에 접촉하는 다량의 열-전달 유체(a volume of heat-transfer fluid)를 적어도 위치시키고 적어도 튜브에 의해 구획된 열-전달 유체 회로 또는 저장소(circuit or a reservoir of heat-transfer fluid).
따라서, 본 발명은 차례차례 정렬된 다수의 축전지를 위한 하우징 역할을 하는 튜브를 가지고 있는 전적으로 독립적인 모듈을 정의하는 것이며, 축전지는 서로 전기적 직렬 연결되어 있고 공통의 열-전달 회로에 의해 유체적으로 연결되어 있으며, 열-전달 회로는 축전지 케이스와 접촉해, 모든 축전지의 전기화학 다발의 중심에서 및/또는 하우징 튜브에 의해 정의되는 외측 재킷(outer jacket) 안에서 연속적으로 흐를 것이다.
본 발명에 의하면, 전기적으로 직렬 혹은 병렬로 연결되어 있을 수 있는 축전지 몇 개를, 직렬 혹은 병렬로, 유체적으로 연결하는 모듈식 방법을 통해, 전체 배터리 팩의 열을 관리할 수 있다.
따라서, 배터리 팩의 냉각 또는 가열이 단순해진다. 예를 들어, 배터리 팩이 온도가 유지되어야 할 N개의 축전지를 포함하고 있다면, N 축전지를 몇 개의 M 모듈로 나눌 수 있다. 축전지가 동일한 방식으로 동작한다면, M 모듈 각각 안에서 동일한 유량을 갖게 하는 것이 유리하다. 일부 N 축전지가 다르게 동작하여 열이 더 발생한다면, 각 M 모듈의 유량을 조정할 수도 있다.
제1 변형예에 따르면, 탱크는 폐쇄된 이중-벽 탱크일 수 있다. 여기서 내측벽 또는 외측벽은 튜브에 의해 정의되고, 폐쇄된 이중-벽은 상-변화 물질(PCM)로 채워진다.
제2 변형예에 따르면, 회로는 이중-벽 덕트를 포함할 수 있다. 여기서 내측벽 또는 외측벽은 튜브에 의해 정의되고, 이중-벽의 단부들 중 하나의 단부에는 유체 유입 오리피스(fluid intake orifice)가 있고 다른 단부에는 유체 유출 오리피스(fluid outlet orifice)가 있어, 유입 오리피스로부터 유출 오리피스까지, 축전지 케이스의 전체 둘레에 열-전달 유체가 순환되도록 한다.
모듈은 이중-벽의 단부 내부를 종방향으로 각각 지나는, 두 개의 씰-밀봉 유체 커플링을 포함할 수 있다.
씰-밀봉 유체 커플링 대신에, 모듈은 다음을 포함할 수 있다:
- 이중-벽의 단부를 각각 종방향으로 차단하는 두 개의 씰-밀봉 잠금 요소(seal-tight closure elements);
- 이중-벽의 단부를 횡방향으로(laterally) 각각 지나는 적어도 두 개의 씰-밀봉 유체 콜렉터(seal-tight fluid collectors).
잠금 요소 각각은 모듈의 전기적 출력 단자를 형성하는 전기전도성인 중심부(electrically-conductive central part)와, 중심부 둘레에 전기절연성인 주변부(electrically insulating peripheral part)를 포함하는 것이 유리하다.
변형예에 따르면, 이중-벽 덕트는 축전지 케이스와는 구별되는 두 개의 동심 튜브로 이루어질 수 있다. 내측 튜브는 축전지 케이스의 측면 재킷과 직접 접촉하고 있다.
다른 변형예에 따르면, 이중-벽 덕트의 내측벽은 축전지 케이스의 측면 재킷에 의해 구획되고, 외측벽은 튜브로 이루어진다.
유리하게, 모듈은 내측 튜브와 외측 튜브 사이, 또는 케이스의 측면 재킷과 외측 튜브 사이에, 센터링 수단(centring means)을 포함한다.
보다 유리하게, 센터링 수단은 내측 튜브 또는 케이스의 측면 재킷의 둘레에 균일하게 분포된 다수의 핀 또는 인써트(inserts)로 이루어지거나, 내측 튜브 또는 케이스의 측면 재킷 주변에 감겨진 나선형 핀으로 이루어지거나, 내측 튜브 또는 케이스의 측면 재킷과 외측 튜브 사이의 공간을 균일하게 채우는 폼(foam)으로 이루어진다.
전기적 절연 수단(electrical insulation means)은 핀 또는 폼과 내측 튜브 사이에 제공되는 것이 유리하다.
유리한 실시예에 따르면:
- 각 축전지는 케이스의 바닥 또는 커버로부터 돌출되는 출력 단자-형성 부싱을 포함한다;
- 튜브에는 튜브의 단부들 중 적어도 하나의 단부에 마련된 기계적 압축 수단(mechanical compression means)이 격납되어, 튜브에 대한 전기적 절연은 보장하면서 튜브 안에서의 종방향 자리잡기(positioning)를 확실하게 한다.
각 축전지는 Li-이온 축전지일 수 있고, 여기에서:
- 음극 재료는 그라파이트, 리튬, 티탄산염 산화물 Li4TiO5O12을 포함하는 그룹으로부터 선택된다;
- 양극 재료는 LiFePO4, LiCoO2, LiNi0 . 33Mn0 . 33Co0 . 33O2을 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
본 발명은 또한 제1 대안 및 제2 대안의 조합에 따른 축전지 모듈(M) 에 관한 것이다.
본 발명은 전술한 축전지 모듈(M)을 다수 포함하는 배터리 팩에 관한 것이기도 하다. 여기에서 축전지 모듈(M)은 전기적으로 직렬 혹은 병렬로 연결되어 있고, 유체적으로 직렬 혹은 병렬로 연결된 다수의 열-전달 회로를 가지고 있다.
유리한 실시예에 따르면, 배터리 팩은 다음을 포함한다:
- 다수의 제2 대안에 따른 축전지 모듈(M) 및, 적절하다면, 다수의 제1 대안에 따른 축전지 모듈(M), 각 모듈(M)은 그 내부에 정렬된 축전지가 격납되는 단일 튜브를 포함하고 있다;
- 두 개의 튜브형 홀딩 플레이트(tubular holding plates), 튜브형 홀딩 플레이트 각각은 상호 평행한 다수의 오리피스에 의해 관통되어 있고, 오리피스의 개수는 축전지 모듈(M)의 개수와 동일하며, 각 튜브의 양 단부 각각은 튜브형 플레이트의 홀딩 오리피스에 씰-밀봉 방식으로 고정되어 맞물려 있다;
- 열-전달 회로를 구획하기 위해 튜브형 플레이트 주변에 씰-밀봉 방식으로 고정되어 있는 쉘(shell)을 형성하는 중공체(hollow body); 쉘은 일단부에 유체 유입 오리피스를, 타단부에 유체 배출 오리피스를 포함한다.
본 발명은 다른 측면에서는, 배터리 팩 안의 가스를 모니터링하는 시스템에 관한 것이고, 이것은 다음을 포함한다:
- 금속-이온 전기화학 축전지를 포함하는 배터리 팩,
- 축전지를 냉각 또는 가열하는 열-전달 액체 회로, 이것은 각 축전지에서 발생되어 열-전달 액체 안에서 순환되어지는 가스를 검출하고 수집하기에 적합한 팽창 용기(expansion vessel)를 포함하고 있다.
여기서, 각각의 금속-이온 전기화학 축전지는 가스에 대해 투과성이고 열-전달유체에 비투과성인 파열 멤브레인(rupture membrane)을 포함하며, 멤브레인은 축전지에 의해 발생된 가스가 그 외부로 통과하도록 허용하도록 축전지 내에 배치되고 고정된다.
유리한 실시예에 따르면, 시스템은 축전지로부터의 가스에 의해 야기되는 초과 압력(overpressure)으로부터 팽창 용기를 보호하는 안전 부재(safety member)를 포함한다.
안전 부재는 바람직하게 밸브, 및/또는 배터리 팩의 축전지 제어 시스템(BMS)에 의해 구동될 수 있는 조정 부재(regulation member)이다.
축전지는 케이스의 벽 양측에 있는 오리피스를 관통해 제조되고 다음을 포함하는 단자-형성 부싱을 포함할 수 있다:
- 축전지 바깥으로 나오는 통로와, 이 부품의 내부를 결합하는 쓰루-홀(through-hole)을 내부에 포함하고 있는 전기전도성 부품(electrically conductive part);
- 가스가 초과 압력일 경우에 안전 벤트를 형성하며, 쓰루-홀 상에 고정되어 있는 파열 멤브레인.
유리하게, 멤브레인은 전기전도성 부품 상으로 웰드된 금속 크라운 링(crown ring)을 통해 쓰루-홀 상에 위치하는 샌드위치된 디스크 형태이다.
전기전도성 부품은 축전지 케이스로부터 돌출된 수형 부품(male part)인 것이 바람직하다.
수형 부품은 바람직하게 니켈-도금 구리 또는 알루미늄 합금으로 만들어진다.
유리한 실시예에 따르면, 부싱은 다음을 포함한다:
- 환형이고, 축전지 바깥에서 수형 부품의 주변에 타이트하게 맞춰지는 전기전도성 암형 부품(female part);
- 두 개의 전기절연성 와셔, 와셔 각각은 벽의 면들 중 한 면에 대한 압력을 그 표면에 의해 지탱하는 지지부와 지지부에 대해 돌출되어 있고 오리피스의 가장자리에 접촉하고 있는 가이딩부를 포함하고; 한 와셔의 지지부는 암형 부품에 대한 압력을 지탱하고; 다른 와셔의 지지부는 수형 부품 부분에 대한 압력을 지탱한다.
유리한 변형예에 따르면, 수형 부품은 다음을 포함한다:
- 축전지를 고정하거나 제거하기 위해 다른 나사산에 조여 사용하려는 나사산(threading);
- 암형 부품의 직경을 타이트하게 하도록 상기 나사산 아래에 위치하는 제1 직경 확대부(a first diameter widening), 및
- 전기절연성 와셔를 지탱하는 표면 및 축전지의 전기화학셀과 전기적 링크를 형성하기 위한 집전판에 대한 연결 표면 둘 다로 기능하며, 제1 직경 확대부의 연속선 상에 있는 제2 직경 확대부.
수형 부품은 그 바닥부에, 제2 직경 확대부 아래로, 파열 멤브레인이 그 위에 고정되는 쓰루-홀을 포함하고 있는 축경부(reduction of diameter)를 포함할 수 있다.
부싱은 케이스의 커버를 관통해 제조될 수 있는데, 커버는 알루미늄 1050 또는 3003과 같은 알루미늄으로 만들어지는 것이 유리하다.
유리한 실시예에 따르면, 파열 멤브레인은 단자와 축전지의 전기화학 셀 사이에 있는 전기적 링크의 집전판과 커버 사이에 구획되어진 빈 공간(empty volume) 안에 마련된다.
본 발명은, 다른 측면 하에서, 기계적 인터페이스 및 전기절연성 부품(mechanical interface and electrical insulation part)에 관한 것이다. 이것은 종축(X)을 따라 정렬된 두 개의 금속-이온 전기화학 축전지 사이에 기계적 인터페이스 및 절연을 제공하도록 하는 것이다. 두 개의 축전지 각각은 바닥과 커버를 가진 케이스를 포함하고, 커버는 커버를 관통하여 축전지 출력 단자-형성 부싱을 가지고 있다. 이 부품은 전기절연성 재료로 만들어지고 다음을 포함하는 플랜지로 이루어져 있다:
- 두 개의 축전지 중 하나의 커버에 대해 누르기 적합한 평평한 베이스(planar base), 평평한 베이스는 쓰루 오프닝(through opening)이 관통하고 있으며, 쓰루 오프닝의 직경은 거기에 격납되는 축전지의 출력 단자 부분에 맞춰져 있다;
- 평평한 베이스를 둘러싸고, 한편으로는 커버의 형태를 포함하여, 축전지 중 하나의 케이스의 상부를 보완하는 형태의 환형 그루브를 구획하여 거기에 맞춰질 수 있도록 하고, 다른 한편으로는 축전지 중 다른 것의 케이스의 바닥을 지탱하는 표면(bearing surface)을 구획하는 형상으로 되어 있는 환형 벽;
환형 그루브는 축전지 케이스의 상부에 타이트하게 맞춰지도록 하는 치수를 갖는 것이 유리하다.
유리한 실시예에 따르면, 플랜지는 환형 벽의 둘레에 분포되어 있는 다수의 스페이서 탭(spacer tabs)도 포함한다. 탭은 그 안에 정렬된 축전지가 동축으로 내장되어 있는 외측 튜브에 대해 고정된 분리(fixed separation)를 보장하도록 한다. 바람직하게, 스페이서 탭은 스페이싱 피치(spacing pitch) e5에 따라서 균일하게 분포되어 있다.
다른 유리한 실시예에 따르면, 플랜지는 두 축전지 중 하나의 케이스의 커버에 대해 눌려지는 평평한 베이스와 축전지 중 다른 것의 케이스의 바닥과의 사이에 빈 공간을 남기도록 하는 형상을 갖는다.
유리하게, 부품은 플라스틱 재료, 특히 PA6-6 또는 폴리옥시메틸렌(POM)을 인젝션 몰딩해 제조한다.
본 발명은 다음을 포함하는 축전지 모듈에 관한 것이기도 하다:
- 종축(X)을 따라 정렬된 적어도 두 개의 금속-이온 전기화학 축전지;
- 두 개의 축전지 사이에 마련되는, 전술한 기계적 인터페이스 및 전기적 절연 부품.
또한, 두 개의 축전지는 축전지 중 하나의 출력 단자를 다른 축전지의 바닥을 통해 그 축전지의 중공구조(hollow) 맨드렐 상으로 조임으로써 유리하게 결합된다.
유리하게, 빈 공간 안의 평평한 베이스에 의해 지지되거나 평평한 베이스의 두께 안에 포함되는 전자 모듈이 제공된다. 전자 모듈은 하나의 축전지 또는 다른 축전지의 전기적 특성을 모니터하는 것이다.
유리한 변형예에 따르면, 한편에서는 플랜지의 평평한 베이스가 그 위에 압력을 가하는 축전지의 커버에 전기적으로 연결되도록 플랜지를 지나는 한 극성의 와이어에 의해, 다른 한편에서는 축전지의 출력 단자 부분에 전기적으로 연결되도록 반대 극성을 가진 다른 전력 공급 와이어에 의해, 전자 모듈에 전력이 공급된다.
본 발명은 하나 또는 다수의 전술한 축전지 모듈과 축전지 모두를 제어하는 시스템(BMS)을 포함하는 배터리 팩에 관한 것이기도 하다. 여기에서 모든 축전지는 전력 회로(power electrical circuit)에 의해 연결되어 있는데, 이 회로는 전자 모듈에서 BMS로 돌아가는 전압이 상기 회로 위로 전력 라인 캐리어(power line carriers : PLC)에 의해 운반되도록 설계되어 있다.
각 전자 모듈은 하나 이상의 이른바 리던던시(redundancy) 전기적 와이어를 통해 다른 전자 모듈에 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
각 플랜지는 한 개는 하나의 전자 모듈에 직접 연결되어 있고 다른 한 개는 다른 전자 모듈에 연결되어 있는 두 개의 리던던시 와이어를 서로 연결하는 연결부(connections)를 그 측면 벽 안에 유리하게 포함할 수 있다.
바람직하게, 연결부와 다른 전자 모듈 사이에 연결된 와이어는 전자 모듈을 지지하는 것에 인접한 축전지의 벽을 따라, 특히 글루(gluing)에 의해, 고정되어 있다.
본 발명은, 다른 측면 하에서, 금속-이온 전기화학 축전지를 위한 단자-형성 부싱에 관한 것이기도 하다. 이것은 축전지의 케이스의 벽 양측에 있는 오리피스를 관통해 제조되며, 다음을 포함한다:
- 축전지 바깥으로 나오는 통로로서 냉매가 축전지의 종축을 따라 순환되게 전달하도록 하는 통로를 내부에 포함하고 있는 전기전도성 수형 부품;
- 축전지 바깥에서, 수형 부품 부분 주변에 타이트하게 맞춰지는 전기전도성 암형 부품;
- 두 개의 전기절연성 와셔, 와셔 각각은 벽의 면들 중 한 면에 대한 압력을 그 표면에 의해 지탱하는 지지부와 지지부에 대해 돌출되어 있고 오리피스의 가장자리에 접촉하고 있는 가이딩부를 포함하고; 한 와셔의 지지부는 암형 부품에 대한 압력을 지탱하며; 다른 와셔의 지지부는 수형 부품 부분에 대한 압력을 지탱함.
유리한 실시예에 따르면, 수형 부품과 암형 부품 사이에 가장자리-대-가장자리로 제조되는, 연속적인 웰드 비드(weld bead)도 제공된다.
유리한 변형예에 따르면, 수형 부품은 오-링 씰을 격납하기에 적합한 환형 그루브를 포함한다.
바람직하게:
- 수형 부품은, 바람직하게, 니켈-계 표면 처리된 순수 구리(CuA1), 또는 니켈-도금 구리 또는 알루미늄 합금으로 만들어진다;
- 암형 부품은 알루미늄 그레이드(grade) 5754 또는 구리 또는 니켈-도금 구리로 만들어진다;
- 절연성 와셔는 폴리에테르이미드(PEI)로 만들어진다.
본 발명은 전술한 축전지를 적어도 두 개 포함하는, 축전지 모듈에 관한 것이기도 하다. 여기에서 두 개의 축전지는 축전지 중 하나의 출력 단자-형성 부싱을 다른 축전지의 바닥을 통해 그 축전지의 중공구조 맨드렐에 조임으로써 결합된 것이다.
부싱은 바람직하게 적어도 3 N.m 인 조임 토크에 따라 중공구조 맨드렐 안으로 조여진다.
본 발명은 전술한 바와 같은 축전지를 하나 또는 그 이상 포함하고 있는 배터리 팩에 관한 것이기도 하다.
마지막으로 본 발명은, 다른 측면 하에서, 금속-이온 전기화학 축전지를 위한 서브조립체에 관한 것으로, 다음을 포함한다:
- 축전지 단자-형성 부싱의 전기전도성 부품, 이 부품은 축전지의 양단 중 하나로 나오는 통로를 내부에 포함하고 있다;
- 축전지의 전기화학 셀을 감기 위한 것이고 종축(X)을 가진 맨드렐, 이 맨드렐은 전기전도성이고 축전지의 양단 중 다른 하나로 나오는 통로를 내부에 포함하고 있다;
- 전기전도성 단자 부품과 전기전도성 권취 맨드렐 사이에 있는 전기적 절연 구성요소, 이 절연 부품은 단자 부품의 통로와 권취 맨드렐의 통로 둘 다로 나오는 통로를 포함하고, 통로는 축전지의 냉매를 순환시키기 위한 것이다.
유리한 실시예에 따르면:
- 중공구조 원통으로 확장되는 중공구조 플랜지를 포함하는 전기적 절연 구성요소;
- 중공구조 원통으로 확장되는 직경 확대부를 포함하는 단자 부품, 그 일단은 전기적 절연 구성요소의 중공구조 원통 안에서, 씰-밀봉 방식으로 냉매에 대해 맞춰져 고정되어 있고;
- 맨드렐은 중공구조 원통이며, 그 일단은 전기적 절연 구성요소의 중공구조 원통 주변에서, 씰-밀봉 방식으로 냉매에 대해 맞춰져 고정되어 있다.
다른 유리한 실시예에 따르면, 단자 부품, 맨드렐 및 전기적 절연 구성요소는 자기 임펄스 웰딩 방법, 글루, 또는 밴딩(banding), 또는 브레이징(brazing)에 의해 조립된다.
유리하게, 단자 부품은 축전지의 전기적 출력 및 고정을 위해 다른 나사산에 조여 사용하려는 나사산을 포함한다.
더욱 유리하게, 맨드렐은 축전지의 전기적 출력 및 고정을 위해 다른 나사산에 조여 사용하려는 나사산을 포함한다.
맨드렐은 바람직하게 알루미늄, 바람직하게 99.5%의 순수 알루미늄(1050A)으로 만들어진다.
본 발명은 바로 전술한 서브조립체를 포함하는 금속-이온 배터리 또는 축전지에 관한 것이기도 하다. 이것의 단자 부품은 축전지 케이스 커버의 부싱 부분을 구성하고, 이것의 맨드렐은 케이스 안에 웰드됨으로써 케이스 바닥을 관통한다.
마지막으로 본 발명은 전술한 축전지를 적어도 두 개 포함하는 축전지 모듈에 관한 것이다. 축전지는 축전지 중 하나의 출력 단자-형성 부싱을 다른 축전지의 바닥을 통해 그 축전지의 중공구조 맨드렐에 조임으로써 조립된 것이다.
부싱은 바람직하게 적어도 3 N.m 인 조임 토크에 따라 중공구조 맨드렐 안으로 조여진다.
본 발명에 따르면, 전기적 구동, 전기적 제어, 가스의 열적 제어 및 검출을 통한 팩의 안전성 강화가 가능하게 된다.
본 발명의 다른 장점 및 특징들은, 다음의 도면들을 참조하여 예시적이고 비제한적인 방식으로 주어지는 본 발명의 예시적인 구현예들에 대한 상세한 설명을 읽음으로써 더욱 명확하게 알 수 있을 것이다:
도 1은 리튬-이온 축전지의 여러 구성요소들을 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 플렉서블 패키징(flexible packaging)을 갖는 리튬 이온 축전지를 나타내는 정면도이다.
도 3은 원통형의 케이스로 구성된 단단한 패키징(rigid packaging)을 갖는 종래의 기술에 따른 리튬-이온 축전지를 나타내는 사시도이다.
도 4는 각형의 케이스로 구성된 단단한 패키징을 갖는 종래의 기술에 따른 리튬-이온 축전지를 나타내는 사시도이다.
도 5는 종래의 기술에 따른 리튬-이온 축전지의 버스바에 의해 배터리 팩을 형성하는 조립체를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제1의 대안적 열-전달 회로(a first alternative heat-transfer circuit)에 대응되는 축전지 모듈(M)의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6을 재참조 하는 것이며, 또한 기밀 열-전달 회로 결합(a seal-tight heat-transfer circuit coupling)을 나타낸다.
도 8a는 도 6 및 도 7에 따른 축전지 모듈의 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 8b는 도 8a의 A-A 선을 따라 절단한 횡단면(transverse cross section)을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 제1의 대안적 열-전달 회로 및 제2의 대안적 열-전달 회로에 대응되는 축전지 모듈(M)의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제1의 대안적 예시에 따른 복수의 축전지 모듈(M)을 수용하는 튜브(tubes)의 축방향 단면(axial cross section)을 나타내는 도면이다.
도 11은 도 10을 재참조 하는 것이며, 또한 튜브 센터링 수단(tube centring means)을 갖는 변형예를 나타내는 도면이다.
도 12는 튜브 센터링 수단에 대한 또 다른 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 13은 배터리 팩을 형성하는 복수의 축전지 모듈(M)에 대한 사시도로서, 본 발명에 따르지만 도 5 내지 도 9와는 구별되는 모드(mode)에 따른 제1의 대안적 열-전달 회로에 대응하는 축전지 모듈(M)의 예시를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 14는 전기적으로는 직렬 연결되지만, 열-전달 회로와는 유체적으로(fluidically) 병렬로 연결되는 본 발명에 따른 복수의 축전지 모듈을 나타내는 개략도이다.
도 15는 전기적으로는 병렬 연결되지만, 열-전달 회로와는 유체적으로 직렬로 연결되는 본 발명에 따른 축전지 모듈(M)을 나타내는 개략도이다.
도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축전지에 대한 횡단면을 나타내는 사시도이다.
도 17은 도 16에 있어서 출력 단자-형성 부싱(output terminal-forming bushing) 및 전기화학 축전지 셀의 권취 맨드릴(winding mandrel)을 나타내는 상세도로서, 단자(terminal)가 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 고정된 경우를 나타내는 도면이다.
도 18은 도 16 및 도 17에 따른 출력 단자(output terminal)를 나타내는 사시도이다.
도 19는 도 16 내지 도 18에 따른 출력 단자와 맨드릴 사이에 있는 기계적 링크(mechanical link) 및 전기적 절연 부품(electrical insulation part)을 나타내는 사시도이다.
도 20은 도 17 및 도 17에 따른 축전지 맨드릴을 나타내는 사시도이다.
도 21은 본 발명의 변형예에 따른 맨드릴을 나타내는 사시도이다.
도 22는 전기화학적 축전지 셀의 출력 단자와 권취 맨드릴 사이에 있는 기계적이지만 전기적으로는 절연성인 조립체의 종단면(longitudinal cross-sectional)을 나타내는 도면이다.
도 23은 도 22에 따른 조립체의 변형예를 나타낸다.
도 24는 축전지 커버의 부싱(bushing)으로서 형성되는 본 발명에 따른 출력 단자의 상부를 나타내는 상세도이다.
도 25는 도 17을 재참조 하는 것이며, 본 발명에 따른 출력 단자의 모든 구성요소들을 보여주는 도면이다.
도 26은 본 발명에 따른 하나의 동일한 모듈의 인접한 두 축전지 사이에 있는 기계적 조립체(mechanical assembly)의 종단면을 나타내는 상세 사시도이다. 본 발명에 따른 출력 단자를 이용하여 제조된 기계적 조립체는 축전지 셀들의 전기적 직렬 연결을 가능하게 하면서도 각각의 케이스들을 전기적으로 절연시킨다.
도 27은 도 26을 재참조 하는 상세 종단면도이다.
도 28은 본 발명에 따른 출력 단자를 이용하여 전기적으로 직렬 연결됨으로써 기계적으로 함께 결합된 두 인접한 축전지를 나타내는 횡단면도이다.
도 29는 축전지 셀과 출력 단자 사이의 전기적 접속을 보장하는 전류 집전판(current collector)의 예시를 나타내는 사시도이다.
도 30은 본 발명에 따른 출력 단자에 의해 직렬로 연결된 축전지들 사이의 전기적 절연을 위한 플랜지(flange)를 형성하는 인터페이스 부품(interface part)을 나타내는 사시도이다.
도 31은 축전지에 대한 상세 사시도이자 내부가 들여다 보이는 도면으로서, 축전지의 상부를 나타내는 도면이다. 도 31은 전기화학적축전지 셀과 출력 단자 사이의 전기적 연결부품 및 축전지 케이스의 상부에 설치된 인터페이스 부품을 나타낸다.
도 32a 및 도 33a는 각각 본 발명에 따른 절연 플랜지(insulating flange)를 아래쪽과 위쪽에서 바라본 모습을 나타내는 정면도이다.
도 32b 및 33b는 도 32a와 도 33a의 A-A 선을 따라 절단한 횡단면을 나타내는 도면이다.
도 34는 본 발명의 절연 플랜지의 사시도로서, 절연 플랜지가 축전지 케이스의 상부에 타이트하게 설치되기 이 전의 모습을 나타내는 도면이다.
도 35는 플랜지가 축전지 케이스의 상부에 타이트하게 설치된 상태에 있어서, 축전지의 종단면을 나타내는 사시도이다.
도 36은 두 축전지의 외부를 나타내는 사시도로서, 두 축전지는 전기적으로 직렬 연결되고 두 축전지 사이의 절연 플랜지에 의해 조립되어 있다.
도 37은 완성된 축전지 모듈(M)의 일부에 대한 사시도로서, 두 인접한 축전지 사이는 전기적 직렬 연결 및 두 축전지 사이의 절연 플랜지에 의해 조립되어 있다.
도 38은 결합된 두 축전지 및 그 주위의 열-전달 회로 튜브(heat-transfer circuit tube)에 대한 종단면도로서, 두 축전지는 전기적 직렬 연결 및 두 축전지 사이의 절연 플랜지에 의해 조립되어 있다.
도 39는 두 인접한 축전지의 종단면을 나타내는 사시도로서, 두 인접한 축전지는 본 발명에 따른 출력 단자에 의해 전기적으로 직렬 연결되고 이들 사이의 절연 플랜지에 의해 기계적으로 조립되어 있다.
도 40a 및 40b는 각각 도 39를 재참조한 종단면도 및 사시도로서, 본 발명에 따른 플랜지의 유효 용적(useful volume)을 타나낸다.
도 41a 및 41b는 각각 도 39를 재참조한 사시도 및 종단면도이며, 이들 도면은 플랜지가 마이크로 컨트롤러 형태의 전자 모듈에 대한 지지체로 작용하는 변형 실시예를 나타낸다.
도 42는 도 39를 재참조한 종단면도로서, 마이크로 컨트롤러 형태의 전자 모듈이 플랜지 내에 삽입되는 변형된 실시예를 나타낸다.
도 43은 BMS와 플랜지에 의해 지지되거나 플랜지 내에 삽입되는 마이크로 컨트롤러를 구비하는 본 발명에 따른 하나 이상의 축전지 모듈에 대한 균등 회로도(equivalent electrical circuit diagram)를 나타낸다.
도 44는 하나의 축전지의 플랜지 내에서 지지되는 마이크로 컨트롤러에서 인접한 축전지의 마이크로 컨트롤러에 이르는 연결을 갖는 전기적 반복 링크(electrical redundancy link)의 시작을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 45는 기계적으로 조립된 두 인접한 축전지 및 두 축전지의 마이크로 컨트롤러 사이의 전기적 리던던시 링크(electrical redundancy link)를 나타내는 종단면 사시도이며, 두 인접한 축전지는 본 발명에 따른 출력 단자를 이용하여 전기적으로 직렬 연결되고 또한 두 축전지 사이의 절연 플랜지에 의해 기계적으로 결합된다.
도 46은 BMS와 플랜지에 의해 지지되거나 플랜지 내에 삽입되는 마이크로 컨트롤러를 구비하는 본 발명에 따른 하나 이상의 축전지 모듈에 대한 균등 회로도(equivalent electrical circuit diagram) 및 전기적 리던던시 링크(electrical redundancy link)를 나타낸다.
도 47은 안전 소자를 포함하는 팽창 용기(expansion vessel)를 구비하는 본 발명에 따른 하나 이상의 축전지 모듈에 있어서 열-전달 유체의 폐회로의 제조를 나타내는 이론적 회로도(theoretical circuit diagram)이다.
도 48은 본 발명에 따른 안전 벤트(safety vent)를 포함하는 축전지 출력 단자의 사시도 및 분해도이다.
도 49는 도 48을 재참조 하는 것으로서, 본 발명에 따른 출력 단자 상에 고정되어 작동되는 안전 벤트를 나타낸다.
도 50은 본 발명에 따른 출력 단자에 포함되고 고정되는 안전 벤트의 바람직한 실시예의 사시도이다.
도 51은 본 발명에 따른 안전 벤트를 포함하는 출력 단자의 레벨에서 제조된 축전지의 종단면을 나타내는 상세 사시도이다.
도 52 내지 도 55는 공기중에서 종래의 기술에 따라 냉각된 축전지 및 본 발명에 따른 열-전달 회로에 따라 냉각된 축전지에 대한 디지털 시뮬레이션으로부터 얻어진 도면이다.
도 1 내지 도 5는 종래의 기술에 따른 리튬-이온 축전지(accumulator), 케이스(cases) 및 단자를 형성하는 부싱(bushings), 그리고 배터리 팩에 관한 상이한 예시들에 관한 것이다. 도 1 내지 도 5는 앞서 이미 설명된 바 있으므로, 이하 더 이상 설명하지 않기로 한다.
명확성을 위해, 종래 기술 및 본 발명에 따른 동일한 요소를 나타내는 동일한 참조 부호가 도 1 내지 도 55 전체에 대해 사용된다.
본 명세서에 있어서, “아래쪽(lower)”, “위쪽(upper)”, “바닥(bottom)”, “상부(top)”, “below(아래)” 및 “위(above)”와 같은 용어들은, 커버와 함께 수직으로 배치된 리튬 이온 축전지 케이스 및 케이스로부터 위쪽으로 돌출되는 출력 단자-형성 부싱(output terminal-forming bushing)과 관련하여 참조로 이해되어야 한다.
도 6 내지 도 9는, 본 발명의 제1 대안에 따른, 케이스를 구비하는 복수의 리튬-이온 축전지(A)로 구성되는 모듈(M)의 예시를 나타낸다.
차례로 정렬되고 전기적으로 직렬로 연결된 축전지들(A1-A4)의 스택은, 이중 벽 재킷(double-walled jacket)(10) 내에 수용된다.
도시된 축전지들(A1-A4)은 원통형이다.
좀 더 상세하게는, 이중 벽 재킷(10)은 축전지의 둘레에 동축으로 배열된 두 개의 동심 튜브(11, 12)로 구성된다. 이너 튜브(11)와 아우터 튜브(12) 사이의 공간은 축전지 케이스의 외주 전체에 걸쳐 열-전달 유체의 체적을 결정한다.
재킷(10)은 고체-액체 타입의 상변화 물질(PCM)으로 충진된 폐쇄된 이중벽 탱크(11, 12)를 형성할 수 있다. 따라서, 재킷(10)의 전체 길이 및 축전지들(A1-A4)의 모든 높이에 걸쳐서 일정한 액체 온도를 생성하는 것이 가능하다.
재킷(10)은, 폐쇄된 탱크 대신에, 그 일 측 단부(13)에는 열-전달 유체 인테이크 오리피스(fluid intake orifice)(15)가 구비되고 그 타 측 단부(14)에는 유체 아울렛 오리피스(fluid outlet orifice)(16)이 구비되는 이중 벽 덕트(double-walled duct)일 수도 있다. 따라서, 열-전달 유체(C1)은 인테이크 오리피스(15)로부터 아울렛 오리피스(16)까지 축전지 케이스의 모든 외주에 걸쳐 순환할 수 있다.
케이스의 양극 또는 커버를 통과하는 단자의 음극과는 달리 전기적 중성(neutral potential)으로 남아 있어야 하는 튜브에 대한 전기적 절연을 보장하는 한편 튜브 내 조립체의 길이 방향 포지셔닝(longitudinal positioning)을 보장하기 위해, 스프링이나 블레이드와 같은 하나 이상의 압축부재(compression elements)가 이너 튜브(11) 내에 그리고 튜브(11)의 양 측 단부(13, 14)에 배치될 수 있다.
이너 튜브는 축전지 케이스(6)와는 구별되는 튜브(11)이거나 또는 케이스(6)의 측면 재킷(lateral jackets)에 의해 범위가 결정될 수 있다. 즉, 그것이 구별되는 튜브(11)라면, 축전지들(A1-A4)은 바람직하게는 직접 접촉을 통해 튜브 내에 장착된다.
반면, 정렬된 축전지들(A1-A4)의 케이스(6)의 측면 재킷이 이너 튜브(11)의 범위를 결정할 수도 있다. 이러한 변형예는 이너 튜브의 삭제를 가능하게 하고, 이에 따라 열-전달 유체와 축전지들(A1-A4) 사이의 열저항을 감소시키며, 결과적으로 더 나은 열교환을 발생시킨다.
도 6 내지 도 8a의 투명도에 의해 도시된 바와 같이, 직렬 전기적 접속은 바람직하게 축전지의 케이스(6)로부터 돌출된 출력 단자(5)와 함께 인접한 축전지 케이스(6)의 바닥(8)에 의해 이루어진다. 또한, 모듈(M)의 전기적 출력은, 한편으로는 일측 단부(13)에서 축전지(A4)의 출력 단자(5)에 의해 그리고 타측 단부(14)에서 축전지(A1)의 바닥면에 의해 이루어진다. 본 발명에 따른 출력 단자(5)의 바람직한 실시예가 후술된다.
열-전달 유체의 공급은 슬리브가 달려 있고(sleeved) 모듈의 양 측 단부(13, 14)에 고정된 호스 또는 이와 유사한 것에 의해 직접적으로 수행될 수 있다. 작동중인 축전지(A1-A4)를 냉각시키는 것을 목적으로 하는 경우라면 냉각 유체는 냉매(냉각 액 또는 가스 또는 유체)에 해당한다. 호스의 고정은 나사 조임, 용접 또는 브레이징(brazing)에 의해 보장될 수 있다.
이용되는 열-전달 유체의 특성(전도성 또는 유전성)에 따라, 전기적 접속을 진행하는 방법은 여러가지가 있다. 따라서, 이중 벽 덕트(double-walled duct)(10) 내부의 축전지들(A1-A4)에 전기적으로 전력을 공급하고 연결을 하기 위한 몇 가지 변형예들이 존재한다.
만약 그것이 유전성 유체(dielectric fluid)인 경우라면, 축전지의 출력 단자(5)와 접촉하더라도 문제가 되지 않으며, 이중 벽(11, 12)을 통과하는 밀폐 커플링(seal-tight coupling)을 통해 접속이 이루어질 수 있다. 유전성 유체를 위한 밀폐 커플링 슬리브(17)가 도 7에 나타나 있다.
밀폐 커플링 슬리브(17)는 이중 벽(11, 12)의 단부(13) 내에서 길이 방향으로 연장된다.
변형예로서, 열-전달 유체와 접속부 간의 접촉을 피하고자 하는 경우라면, 이중벽의 단부(13, 14)를 측 방향으로 가로지르는 유체 콜렉터(fluid collector)(18, 19) 상에 각각 부가된 슬리브(sleeves)를 고려할 수 있다. 이 경우, 두 밀폐 요소(seal-tight closure elements)(20, 21)는 각각 이중벽의 단부(13, 14)를 길이 방향으로 차단한다.
이에 따라, 열-전달 유체(C1)의 공급 및 수집은 측방향으로 행해지고, 열-전달 유체는 더 이상 축전지(A4)의 출력 단자(5)와 접촉할 수 있는 가능성을 갖지 않게 된다.
또한, 밀폐 요소(20)는 모듈(M)의 두 출력 단자 중 하나를 직접 구성할 수 있다. 이 경우, 튜브(11, 12)는 전기적으로 절연되어야 한다. 이를 위해, 도 8a 및 도 8b에서 나타나는 바와 같이, 절연 재료 블록(22)이 단자(5) 및 밀폐 요소(20) 주위에 배치된다. 도시되지 않은 유사한 절연 블록이 모듈의 타측 단부에 배치된다.
모듈(M)의 열 관리를 위한 본 발명에 따른 제2의 대안은 열-전달 유체가 축전지(A1~A4)의 모든 코어에서 순환하도록 하는 것이다.
이러한 제2의 대안에 따르면, 축전지가 축전지 케이스 내에 수용되기 이 전에 전기화학 셀의 권취 코어 역할을 하는 모든 맨드릴을 통해 유체의 연속적인 흐름을 만드는 것을 목적으로 한다. 즉, 맨드릴은 중공형이며 열-전달 유체 순환 덕트로서의 역할을 하며, 모든 중공부는 하나의 동일한 모듈(M) 내에서 유체적으로(hydraulically) 직렬 연결된다.
2개의 열-전달 유체 회로가 하나의 동일한 모듈(M) 내에서 독립적이라는 사실로 인해, 하나 또는 다른 모듈을 사용하거나 조합할 수도 있다. 즉, 축전지 케이스(6)의 외주 전체에 걸친 열-전달 유체 순환 및 축전지의 코어에서의 열-전달 유체의 추가적인 순환이 가능하다.
따라서, 도 9의 화살표에 의해 나타난 바와 같이, 본 발명은 축전지(A1~A4)의 외주부에서의 열-전달 유체(C1)의 순환과 축전지(A1~A4)의 코어에서의 열-전달 유체(C2)의 순환을 조합하는 것을 가능하게 한다.
열-전달 유체(C1, C2)는 동일한 유체일 수도 있고 서로 구별되는 다른 유체일 수도 있다. 전기화학 셀의 기하학적 구조 및/또는 화학적 성질에 따라, 유체(C2)와는 다른 열 특성 또는 유전 특성을 갖는 유체(C1)를 선택할 수 있다.
또한, 도 9의 화살표에 의해 나타난 바와 같이, 유체(C1)의 순환은 유체(C2)의 순환에 대해 병류(co-current)일 수도 있고, 반대 방향의 흐름, 즉 역류(counter-current)일 수도 있다. 이러한 역류 순환은 하나의 동일한 모듈의 축전지들(A1-A4)의 온도를 더욱 균일하게 만들어줄 수 있다.
도 10에 개략적으로 나타나는 바와 같이, 본 발명에 따른 이중벽 덕트(10)는, 그 내측 벽과 접촉하는 축전지들(A1-A4)로 채워지거나 케이스(6)의 외측 재킷에 의해 구획된 이너 튜브(11) 및 이너 튜브(11)와 동심인 아우터 튜브(12)를 포함한다. 따라서, 이너 튜브(11)와 아우터 튜브(12) 사이의 환형 공간(annular space)(E)은 열-전달 유체(C1)의 통과 섹션을 정의한다. 전형적으로, 환형 공간(E)은 축전지의 사이즈 및 전력에 따라 바람직하게 1mm 내지 20mm 사이에서 변화할 수 있다.
유체가 이러한 두 튜브(11, 12) 사이에서 구획되는 환형 공간(E) 내에서 흐르도록 보장하기 위해서는, 공동 센터링 수단(mutual centring means)이 반드시 제공되어야 한다.
센터링 수단은, 도 11에 도시된 바와 같이, 튜브의 축을 따라 연장되고 균일한 각도로 분포되며 두 튜브(11, 12) 중 적어도 하나에 고정되는 직선 형태의 핀(fins) 또는 인서트(inserts)(23)로 이루어질 수 있다.
또한, 이러한 핀 또는 인서트(23)는 환형 공간(E) 내에서 순환할 열-전달 유체(C1)와의 교환 표면적을 증가시킬 수 있다는 이점을 갖는다. 통상적으로, 핀(23)의 구성재료로서 양호한 열 전도체(알루미늄, 구리 등)를 선택함으로써, 유체(C1)와 이너 튜브(11) 사이의 열교환 표면적에 대략 1 내지 5의 인자를 곱하는 것이 가능할 수도 있으며, 이에 따라 유체(C)와 축전지들(A1-A4) 사이의 온도 차를 유사한 인자로 감소시킬 수 있다. 수용 가능한 수준의 수두 손실(acceptable head losses)을 갖도록 하기 위해, 유체(C1)의 통로를 막지 않도록 핀이나 인서트의 치수에 대해 주의를 해야 함은 물론이다. 또한, 본 발명과 관련하여, 핀이 전기 전도성이면, 튜브를 통해 단락 회로를 생성하지 않도록 주의해야 한다.
도 12는 단일 나선형 핀(single helical fin)(24)이 이너 튜브(11) 둘레에 크림핑되는 변형 실시예를 도시한다. 이러한 나선형 핀(24) 역시 열-전달 유체가 회전할 수 있도록 하는 나선(helix)(24)에 의해 교환 표면을 증가시키고 열교환을 강화시키는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 모듈(M)에 조립된 축전지들(A1-A4) 주위의 순환을 보장하기 위해, 도 13에 개략적으로 나타난 것과 같은 튜브형 타입의 교환기(25)로 이중벽 덕트(10)를 대체할 수 있다.
이러한 교환기(25)에 있어서, 축전지의 모듈들(M1, M2, M3, M4…)의 묶음은, 열-전달을 가이드 하기 위한 외벽으로 작용할 쉘(26)을 형성하는 밀폐 중공 바디(seal-tight hollow body) 내에 수용되고, 싱글 튜브(11)에 의해 각각의 모듈(M)에 대해 내벽이 제공되며, 그 내부에는 정렬되고 직렬 연결된 축전지들이 수용된다. 이러한 교환기(25)에 의해, 이중벽(10) 안에는 더 이상 외주를 따른 유동이 없고, 열-전달 유체는 튜브(11)의 외부로 흐른다.
더욱 상세하게는, 교환기(25)는, 상호 나란한 복수의 오리피스(orifices)(28)로 각각 관통된 두 개의 튜브형 홀딩 플레이트(27)를 포함한다. 오리피스의 개수는 축전지 모듈(M)의 튜브(11)의 개수와 같다.
각 튜브(11)의 양측 단부 각각은 밀폐 방식으로 고정됨으로써 튜브형 플레이트(27)의 홀딩 오리피스(28)에 결합된다.
상기 쉘(26)은 밀폐 방식으로 튜브형 플레이트(27) 둘레에 고정됨으로써 열-전달 회로를 구획한다. 쉘(26)은, 그 일측 단부에 형성된 열-전달 유체 인테이크 오리피스(30) 및 그 타측 단부에 형성된 유체 아울렛 오리피스(31)를 포함한다.
더욱이, 쉘(26)의 내부에는 열-전달 유체(C1)의 흐름을 가이드 하는 시케인(chicanes)(32)이 배치되어 있다. 도시된 바와 같이, 시케인(32)은, 튜브(11)에 가로 놓인 방향으로 연장되고 튜브형 플레이트(27)에 나란한 방향으로 연장되며, 튜브를 따라 일정하게 이격되고 쉘의 횡단면의 일부를 폐쇄함으로써 열-전달 유체를 축전지 모듈(M1, … M4)의 튜브(11) 둘레로 가이드 하는 플레이트로 구성된다. 시케인은, 축전지들(A1-A4)로 채워진 튜브(11)의 중량을 견딜 수 있도록 하고, 이에 따라 축전지의 중량에 의해 튜브(11)가 처지는 것을 피할 수 있게 한다.
마지막으로, 홀딩 플레이트(27)의 양 측에서, 두 집전판(electrical collectors)(29)는 모듈들을 서로 연결시키기 위해 복수의 축전지 모듈(M1-M4)에 연결된 복수의 전기적 접속부(electrical connections)를 수용하는 것을 가능하게 한다.
적용 유형에 따라, 축전지(A1-A4)의 모듈(M1-M4) 각각의 코어에 순환기가 있는 교환기(25)를 제조하는 것도 가능하며, 이 경우 집전판(29)는 유체 수집기로서 작용한다.
즉, 각 모듈의 축전지(A1-A4) 주위와 이들 각각의 코어에서 열-교환 유체(C)에 의해 냉각되는 교환기(25)는, 일단 서로 다른 모듈(M1-M4) 사이의 직렬 또는 병렬 접속이 이루어지면, 그 자체로 배터리 팩을 구성한다.
본 발명에 따라 형성된 축전지 모듈(M)은 본 발명에 따른 다른 축전지 모듈과 유체적/전기적으로 연결되기를 원하는 곳에서 용이하게 조작되고 배치될 수 있는 X개의 축전지를 갖는 독립적인 조립체를 구성한다.
따라서, 수득되기를 원하는 배터리 팩의 특성에 따라, Y개의 축전지 모듈(M)이 서로 전기적으로 연결될 것이다.
본 발명에 따른 여러 모듈들 사이의 전기적 및 유체적 연결의 모든 조합이 가능하다.
축전지에 의해 방출되는 열, 하나의 축전지에서 또 다른 축전지에 이르는 희망하는 온도 균일성, 및 사용되는 열-전달 유체의 물리적 특성에 따라, 모듈(M)은 유체적으로 직렬 또는 병렬로 결합된다. 결과적으로, 유체가 진행함에 따라 유체의 온도가 상승하므로 동일한 모듈에서 첫번째 축전지와 마지막 축전지 사이에는 온도 차이가 있을 수 있다.
도 14는, 열-전달 유체(C1 및/또는 C2)의 순환이 모든 모듈(M1, M2 … Mn) 사이에서 병렬로 보장되는 반면, 이들이 서로 전기적으로는 직렬로 연결되는 배터리 팩(P)의 구성을 도시한다.
도 15는, 열-전달 유체(C1 및/또는 C2)의 순환이 모든 모듈(M1, M2 … Mn) 사이에서 직렬로 보장되는 반면, 이들이 서로 전기적으로는 병렬로 연결되는 배터리 팩(P)의 구성을 도시한다.
직렬로만 열-전달 유체를 순환시키는 경우 유체가 흐름을 따라 가열되지 않는 한, 모든 축전지가 동일한 유체 유속과 접촉하기 때문에 유체의 분포에 문제가 발생하지 않는다는 장점이 있다.
전술한 하나의 동일한 모듈 내에 복수의 축전지를 직렬로 전기적으로 장착하기 위해, 축전지 케이스의 커버(9)의 중심에서 단자(5)를 인접 축전지 케이스의 바닥(8) 상에 위치하는 반대편 단자(4)에 연결함으로써 이들을 연결하는 것이 하나의 해결책이 될 수 있다.
하나의 동일한 모듈(M)에 대한 축전지들(A1-A4)의 전기화학 셀들의 코어에서 열-전달 유체의 연속적인 순환을 생성하기 위해, 본 발명자들은, 중공의 맨드릴(hollow mandrel)(34) 및 맨드릴(34)에 연속하는 중공형 출력 단자(hollow output terminal)(5)의 일부를 포함하는 중공형 서브 조립체(hollow subassembly)(33)를 제조하는 것을 고려하였다. 이러한 서브 조립체(33)는, 열-전달 유체의 순환을 위해, 수두 손실(head loss)을 최소화 하거나 아예 없도록 유도해야 한다. 또한, 그것은 열-전달 유체와 축전지의 전해질 가의 접촉을 피하기 위해 축전지 내부의 완벽한 밀폐를 보장해야 한다.
서브 조립체(33)는, 그 구성부품들(5, 34, 43)과 함께 도 16 내지 도 23에 도시되어 있다. 도 16 및 도 17은 이러한 서브 조립체(33)를 포함하는 축전지(A)의 내부를 도시하고 있다.
중공형 맨드릴(34)은 그 주요 기능을 유지하며 권취 시에 감겨진 전기화학 셀(C)을 지지한다. 이에 따라, 맨드릴(34)의 직경은 축전지에 요구되는 전기화학적 성능 수준을 만들어 내기 위해 셀(C)의 권취 조건을 주시한다.
단자(5)와의 전기적 및 기계적 연결을 유리하게 보장하기 위해, 단자(5)와 연결되는 쪽과 반대편에 있는 맨드릴(34)의 단부(35)는 나사부(35)를 포함한다. 이에 따라, 나사부가 형성된 맨드릴(34) 및 케이스(6)의 바닥(8)은 축전지의 다른 단자(4)를 구성하며, 이는 통상적으로 리튬-이온 축전지의 케이스에서 양극 단자이다.
그 중심부가 중공형이며 출력 단자의 수형 부품(male part)을 형성하는 부품(5) 그 자체가 도 18에 도시되어 있다. 무엇보다도, 그것은, 두 축전지 사이에서 전기적/기계적 연결을 생성하는 인접한 축전지의 맨드릴(34)의 나사부(35)와 결합하기에 적합한 나사부(36)를 상부에 포함한다.
그 안에 예를 들어 PTFE로 만들어진 실(seal)(38)을 수용할 수 있도록 하기 위해, 나사부(36)의 아래에 홈(37)이 형성된다. 부품(5)은, 홈(37)에 연속하는 제1 직경 확장부(39) 및 제1 직경 확장부에 연속하는 제2 직경 확장부(40)를 포함한다. 상기 제1 직경 확장부(39)는, 아래에 언급될 바와 같이 출력 단자의 암형 부품(female part)(50)를 조여주는 직경으로 작용한다. 또한, 제2 직경 확장부(40)는, 아래에 언급될 바와 같이, 전기 절연 와셔를 구비하는 지지면(bearing surface) 및 셀과의 전기적 연결을 형성하는 전류 집전판에 대한 연결면(connection surface)으로서 모두 작용한다.
마지막으로, 부품(5)은, 그 바닥에 두 개의 직경 감소부(41, 42)를 포함하는데, 그 끝부분은 맨드릴(34)의 내부에 끼워지도록 되어 있다.
축전지(A) 내부의 극성을 보장하기 위해, 단락 및 열 폭주를 유발하지 않기 위해, 서브 조립체(33) 내에서 통상적으로 양극 단자인 중공형 맨드릴(34)을 통상적으로 음극 단자인 중공형 터미널 부품(5)과 전기적으로 절연시키는 것이 매우 중요하다.
이를 실현하기 위해서, 중공형 서브 조립체(33)는 도 19에 상세히 도시된 바와 같은 전기적 연결 및 전기적 절연 부품(43)을 포함한다.
부품(43)은, 상부에 형성되는 플랜지(44) 및 하부에 형성되는 실린더(45)를 포함한다. 부품의 치수 및 위치설정은 플랜지(44)가 후술할 전류 집전판(51)의 베이스(52) 상부로 연장되도록 선택된다.
이러한 연결 부품(link part)(43)은 전기 절연 재료로 만들어지기 때문에, 이러한 부품(43)이 전기 전도성 재료로 제조된 단자 부품(5) 및 맨드릴(34)과 기계적으로 튼튼하고 완벽하게 밀폐 조립되는 것을 보장하는 것이 필수적이다.
이에 따라, 본 발명자들은, 부품을 용접하기 위해서 전자기력을 사용하는 방법인 마그네틱 펄스 용접 기술(magnetic pulse welding technique)을 사용하는 것을 고려했다. 이러한 방법은, 용접될 서로 다른 부품을 유도 코일 내에 서로 접촉하지 않도록 배치하는 것을 포함한다. 용접 사이클 중에 매우 많은 양의 전기 에너지가 매우 짧은 시간 안에 방출된다. 따라서, 높은 에너지의 높은 자속(high flux of energy)이 코일을 통과하게 되고 전류의 이러한 방전은 용접될 외부 부품에서 와상 전류(eddy current)를 유도한다. 이러한 두 전류는 자기장을 생성한다. 두 자기장 사이의 척력은 용접될 외부 부품에 내부 부품을 향하는 매우 큰 가속력을 제공하는 힘을 발달시킨다. 이러한 힘은, 내부/외부 부품 간의 조립체가 수득되도록 재료의 원자들을 서로에 대해 밀어낸다.
마그네틱 펄스 용접 방식은 냉간 용접 방식이므로, 용접되는 재료가 30℃를 넘지 않고, 부품의 어떠한 영역도 열적으로 영향을 받지 않으며 재료가 그 성질을 잃지 않는다. 이는, 용접 이 후에, 부품이 즉시 풀리고 사용될 수 있음을 의미한다. 용접 사이클이 진행되는 동안 열이 가해지지 않는 것은, 매우 상이한 융점을 갖는 재료들을 결합할 수 있도록 한다. 또한, 마그네틱 펄스 용접 사이클이 진행되는 동안, 부품의 금속이 용융되지 않는다. 결국, 마그네틱 펄스에 의해 생성된 용접물은 약한 베이스 금속보다 더 강하다.
마그네틱 펄스 용접 방식에 의해 제조된 중공형 서브 조립체(hollow subassembly)(33)는, 한편으로는 축전지 안에 존재하는 전해질과 서브 조립체의 내부를 순환하게 될 열-전달 유체 간의 완벽한 밀폐를 보장하며, 다른 한편으로는 커버와 바닥 사이의 축전지 극성 간의 완벽한 전기적 절연을 보장한다.
글루잉(gluing), 밴딩(banding) 또는 브레이징(brazing)에 의해 서브 조립체(33)를 조립하는 다른 기술도 또한 고려될 수 있다.
중공형 서브 조립체(33)의 재료에 대해, 상이한 조합을 고려하는 것이 유리할 수 있다.
따라서, 바람직하게는 일 부품 가공(one-piece machining)에 의해 제조된 수형 부품(5)은 알루미늄 또는 구리로 이루어질 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 재료는 순수 구리(CuA1)이다. 부식의 문제로 인해, 니켈을 베이스로 하는 표면 처리가 행해질 수 있다. 가공/재료 비용의 절감을 위해, 직경 확장부(39)는 가공된 부품(5) 상에 레이저 용접(laser welding) 또는 밴딩(banding)에 의해 부가될 수 있다. 마지막으로, 부품(5)의 높이는, 긴 길이를 가공하지 않도록 또한 재료비를 줄이도록 하기 위해 최적화 된다.
바람직하게는 압출에 의해 제조된 중공형 맨드릴(34)은, 바람직하게는 알루미늄으로 제조된다. 더욱 바람직하게는, 재료는 통상 축전지 케이스(6)의 컵(cup)(7) 및 바닥(8)의 재료인 99.5%의 순수 알루미늄(1050A)이다. 이는 맨드릴(340과 바닥(8) 사이의, 특히 레이저에 의한 용접에 대해 최상의 화학적 적합성을 갖는 것을 가능하게 한다.
전기적 절연 및 기계적 연결 부품(43)은, 바람직하게는 매우 우수한 화학적 관성을 갖는 경질 플라스틱(rigid plastic)으로 만들어지며, 바람직하게는 기계 가공 또는 사출 성형에 의해 생산된다. 부품(43)은, 통상의 축전지 전해질 및 양호한 기계적 변형 특성을 갖는 열-전달 유체로서의 오일에 내성인 장점을 갖는 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에테르이미드(PEI)로 제조되는 것이 바람직하다. 상기 부품(43)은, 예를 들어 페라이트와 절연 수지의 혼합물로 코팅처리 되어 강자성체로 하여금 전류 통과의 관점에서 절연된 상태로 용접을 적용하도록 할 수 있다.
3개의 부품(5, 34, 43) 사이의 용접에 의한 조립 이 전의 마운팅 시의 기계적 움직임(mechanical plays on mounting)은, 부품의 상호 피팅을 보장할 뿐만 아니라, 밀폐를 보장하도록 선택된다. 예를 들어, 구리로 된 수형 단자 부품(male terminal part)(5)은, 수동으로 수행될 수 있는 3개의 부품(5, 34, 43) 사이의 타이트한 마운팅이 허용되도록 하기 위해, 5mm인 직경 감소부(reduction of diameter)(41) 상에서의 공차가 g6 타입이 되도록 하고 또한 내경 5mm의 알루미늄으로 된 맨드릴(34)의 공차가 H7 타입이 되도록 치수를 정하는 것이 가능하다.
도 22에 도시된 바와 같이, 중공형 서브 조립체(33)는, 내부에 축전지의 높이 전체에 걸쳐서 열-전달 유체(C2)를 위한 연속적이고 밀폐된 통로를 정의한다.
도 22 및 도 23에 도시된 방향으로의 열-전달 유체(C2)의 순환을 더욱 용이하게 하기 위해, 그 단부에 있는 직경 감소부(reduction of diameter part)(41)의 내부에 챔퍼(chamfer)(46)를 제공하는 것이 유리하다. 예로서, 상술된 치수에 대해, 챔퍼(46)는 1mm의 높이를 가지며, 45°의 경사를 갖는다.
단락 회로의 위험을 회피하고 축전지의 코어에서의 열-전달 유체의 밀폐된 통로를 보장하면서 2개의 축전지 사이의 최상의 전기적 연결을 보장하기 위해, 본 발명자들은 이미 부분적으로 상술한 바와 같이 부싱 형태의 출력 단자를 제안하였다.
도 24 내지 도 28을 참조하여 출력 단자-형성 부싱(output terminal-forming bushing)를 전체적으로 설명한다.
상기 부싱은 축전지 케이스(A)의 커버(9)의 양 측에 나타나는 오리피스(orifice)(47)를 통해 생성된다.
먼저, 부싱은, 두 개의 동일한 전기 절연 와셔(washer)(48, 49)를 포함한다. 이러한 두 개의 절연 와셔(48, 49)의 기능은, 커버(9)의 외부에 대해, 부싱이 생성되는 축전지 내의 전해질에 대한 밀폐성을 확보하는 것이다. 또한, 이들은, 단자의 수형 부품(male part)(5)과 커버(9) 간의 전기적 절연을 보장한다.
이를 위해, 각각의 와셔는 지지부(bearing portion)와 지지부에 대해 돌출된 가이딩부(guiding portion)를 포함한다. 상부 와셔의 지지부는 그 표면에 의해 커버(9)의 상면에 대한 압력을 견디고, 그 가이딩부는 커버(7)의 오리피스(47)의 에지(edge)와 접촉한다. 유사하게, 하부 와셔(49)의 지지부는 커버(7)의 바닥에 대한 압력을 견디고, 그 가이딩부는 커버(7)의 오리피스(47)의 에지와 접촉한다.
전기적으로 전도성인 수형 부품(5)은, 그 직경 확장부(39)에 의해, 그 중심부에 나타나는 전도성의 암형 환형 부품(female annular part)(50) 내에 타이트하게 끼워진다.
따라서, 조립된 구성에 있어서, 암형 환형 부품(50)은 수형 부품(5)의 직경 확장부(39)의 둘레에 설정되고, 상부 절연 와셔(48)에 대한 압력을 견뎌낸다.
도 24에서 알 수 있는 바와 같이, 단자의 구성요소들의 상이한 치수는, 이 조립된 구성에서, 수형 부품(5)의 상부에 있는 나사부(36)가 암형 부품(50)를 넘어 돌출되도록 하며, 또한 O-링 실(O-ring seal)(38)이 이들 사이에 개재되도록 한다.
따라서, 도 26 내지 도 28에 도시된 바와 같이, 이러한 암형 부품(50)은, 그 환형 표면에 의해, 고전류에 대한 통로 섹션을 보장하는 평평부(flat)에 의해, 축전지(A2)의 단자(5, 50)(통상적으로 음극) 및 인접한 축전지(A1)의 케이스(6)의 바닥(8)(통상적으로 양극) 간의 전기적 접속을 보장할 수 있다.
상기 나사부(36)는, 축전지(A2)의 출력 단자와 인접한 축전지(A2)의 케이스(6)의 바닥(8) 간의 전기적 접속부로서 기능한다. 보다 구체적으로, 중공형 멘드릴(34)의 나사부(35)와 스크류잉에 의해 결합하는 나사부(36)는, 통상적으로 2 개의 인접한 축전지 사이에서 3N/m 정도의 상당한 체결 레벨을 보장할 수 게 하며, 이로써 접촉 저항은 12 내지 15옴(mohms) 정도로 낮게 나타난다.
이에 따라, 오-링 실(38)은, 나사 결합부(35, 36)에서 열-전달 유체(C2)의 밀폐 기밀성을 보장하며, 실(seal)의 조임은 홈(37)의 바닥과 중공형 맨드릴(34)의 내경 사이의 끼워 맞춤에 의해 조절된다.
축전지 케이스의 커버(9)로 부싱을 조립하기 위해, 다음의 단계가 수행된다:
- 중공 구조이며 내부가 오픈된 전도성의 수형 부품(male part)(5)의 직경 확장부(39) 둘레에 하부 절연 와셔(49)를 위치시키는 단계(와셔(49)의 지지부는 부품(5)의 직경 확장부(40)를 지탱함);
- 오리피스(47)를 구비하는 커버(9)를 절연 와셔(9)의 가이딩부 둘레에 위치시키는 단계;
- 상부 절연 와셔(48)를 수형 부품(5)의 직경 확장부(39) 둘레에 위치시키는 단계(와셔(48)의 지지부는 커버를 지탱함);
- 환형 암형 부품(annular female part)(50)을 수형 부품(male part)(5)의 직경 확장부(39) 둘레에 셋팅하는 단계.
설정 압력은, 축전지의 중심축인 부싱의 X축을 따라 압축을 생성한다.
본 발명자들은, 본 발명에 따른 단자의 수형 부품(5)의 베이스의 두께(E)를 증가시킴으로써 다양한 셋팅 테스트를 수행하였다. 이러한 베이스는 직경 확장부(40)에 의해 형성된다.
정의에 따르면, 베이스(40)의 두께(E) 값은, 보어(bore)(39)의 직경(Ø)이 높을수록 커진다. 이는, 직경이 커질수록 셋팅에 요구되는 노력이 커지기 때문이다.
수형 부품(5)과 암형 부품(50) 사이의 견고한 기계적 연결을 보장하기 위한 또 다른 중요한 특징은, 셋팅 후 꽉 끼는 높이를 한정하는 암형 부품(50)의 원통형 부분의 높이(H)이다. 본 발명에 있어서, “견고한 기계적 연결”은, 축전지의 단부 또는 출력 단자를 구성하는 이러한 유형의 단자의 기계적 저항의 관점에서, 필수 사양을 만족시킬 수 있는 링크를 의미하는 것으로 이해 되어야 하며, 트랙션(traction)에 대한 저항, 조임 토크에 대한 저항, 진동 저항, 기계적 충격에 대한 저항, 온도 변화에 대한 저항((-40°C/+75°C) 등이 있다.
특히, 온도 변화가 큰 환경에서 축전지 모듈을 사용하는 경우에 있어서, 본 발명에 따른 단자의 수형 부품(5)과 암형 부품(50) 사이의 상대적 팽창의 문제를 피하기 위해, 바람직하게는 레이저 용접에 의해 이들 부분(5, 50) 사이의 에지에서 에지까지 생성되는 연속 용접 비드(continuous weld bead)(S)를 제공하는 것이 유리하다.
이러한 용접 비드(S)에 의해, 와서(48, 49)의 축 방향 조임의 열화를 초래하는 대전류의 통로에 있어서, 수형 부품의 나사부(36)의 가열에 대한 보호장치가 존재하게 되는데, 이는 수형 부품(5)의 축 상에서 암형 부품(50)이 미끄러지기 시작하기 때문이다.
암형 부품(50)은, 5754 등급의 알루미늄 또는 구리 또는 니켈 도금된 구리로 제조될 수 있다. 5754 알루미늄은, 매우 우수한 기계적 특성을 갖는 장점이 있으며, 특히 본 발명에 따른 셋팅이 유지되는 동안, 표면에 압력이 가해질 때 그 온전한 상태를 유지한다. 니켈이 도금된 구리는 통상적인 구리로 제조된 음극 단자로서 정의된 것과 동일한 종류인 것이 유리하며, 이는 사용자에 대해 동일한 인터페이스를 유지할 수 있도록 한다.
수형 부품(5)은, 니켈 도금 구리로 제조되는 것이 바람직한데, 이는 리튬-이온(Li-ion) 축전지의 전기화학 코어를 구성하는 재료(전극 재료, LiPF6 베이스의 전해질 등의 케미스트리)와 호환 가능하기 때문이다. 그러나, 이미 언급한 바와 같이, 수형 부품은 알루미늄으로도 완벽하게 만들어질 수 있다.
절연 와셔(48, 49)는, 바람직하게는, 부분적으로 폴리 에테르이미드(PEI)로 제조된다.
도 27 및 도 28에서 알 수 있듯이, 출력 단자의 상이한 치수, 특히 암형 부품(50)의 높이(H1)는, 인접한 축전지(A1, A2)의 두 케이스(6) 간의 최소 분리 거리(d)를 보장할 수 있게 한다. 통상저긍로, 이러한 거리(d)는, 적어도 1mm 이며, 바람직하게는 1 내지 5mm 이다.
주어진 극성, 특히 음극의 전기화학 다발(electrochemical bundle)(C) 내의 전극과 본 발명에 따른 출력 단자 사이의 양호한 전기적 전도성을 보장하기 위해, 도 29에 도시된 바와 같이 금속 전류 집전판(51)가 제공된다.
이러한 전류 집전판(51)는, 전기화학 다발(C)의 상부에서 전극 활물질을 지지하는 금속 호일에 용접된 평면 기저부(planar base)(52)와, 자체로 접혀서 단자의 수형 부품(5)의 직경 확장부(40)에 용접된 설부(tongue)(53)를 포함한다. 이러한 기저부(52) 및 설부(53)는, 주어진 극성의 전극과 출력 단자 사이의 전기적 연속성을 보장한다.
언급된 바와 같이, 하나의 냉각/가열 순환 모드는, 하나의 동일한 모듈 내의 축전지(A1-A4)의 외주에 걸쳐서 그 케이스의 측면 재킷 상에 직접 접촉이 이루어지는 열-전달 유체의 순환을 발생시킨다. 즉, 추가적인 이너 튜브(11)를 제공한다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 축전지의 출력 단자의 치수를 결정하는 것과, 인접한 축전지의 케이스의 바닥에 나사 결합에 의해 이를 고정하는 것은, 이러한 두 개의 조립된 축전지 간의 최소 분리 거리(d)를 허용한다.
본 발명자들은, 이러한 최소 분리 공간을 이용하여 양쪽 모두를 가능하게 하는 인터페이스 부품(54)을 정의하는 것을 고려했다:
- 재료가 없는 공간 대신 하나의 동일한 모듈 내에 전기적으로 연결되고 조립된 두 개의 인접한 축전지 사이의 전기적 절연을 보장함
- 두 개의 축전지 사이의 센터링(centring) 및 기계적 고정에 있어서 추가적인 안전성을 보장함
- 열-전달 유체의 순환을 위한 이중벽 덕트(10)의 정의를 위해 아우터 튜브(12)와의 갭 및 상호 연결된 축전지들의 외피(skin), 즉 그 측면 케이스 재킷(lateral case jackets)과의 갭을 유지함.
이러한 플랜지-형성 인터페이스 부품(flange-forming interface part)(54)은 도 30에 도시된 바와 같다. 우선, 이것은, 관통 구멍(56)이 관통된 평면 기저부(planar base)(55)를 포함한다. 관통 구멍(56)의 직경은, 그 안에 수용되는 암형 부품(50)의 직경에 맞추어진다.
상기 평면 기저부(55)는 스페이서 피치(spacer pitch)(e5)에 따라 환형 벽(annular wall)(57)의 외주 상에 균일하게 분포된 복수의 스페이서 탭(spacer tabs)(58)을 포함하는 환형 벽(57)으로 둘러싸여 있다. 이러한 탭들(58)의 기능은, 하나의 동일한 모듈(M) 내에 조립된 축전지들(A1-A4)이 수용되는 아우터 튜브(12)와의 간격을 두는 것, 즉 고정된 분리를 보장하는 것이다.
또한, 측벽(lateral wall)(57)은, 축전지 케이스(6)의 상부의 형태를 보완(complementing)하는 형태, 즉 측면 재킷(lateral jacket)(7)의 상부 및 그에 용접되는 커버(9)의 형태를 보완하는 형태를 갖는 환형 홈(annular groove)(59)을 한정하도록 형성된다.
따라서, 인터페이스 부품(interface part) 또는 플랜지(54)는 그 환형 홈(59)에 의해 케이스(6)의 커버(9)의 내측 테두리와 그 측면 재킷(lateral jacket)(7)의 상부에 끼워지도록 되어 있다.
이러한 피팅(fitting)은, 수동으로 이루어질 수 있으며, 또한 플랜지(54)의 치수는 유리하게 장착시에 조임을 허용한다.
지시적 예로서, 원통형 포맷(50125)의 축전지에 있어서, 도 32a 내지 33b에서 참조된 플랜지(54)의 치수는 하기 표 1의 수치이다.
Figure pat00001
통상적으로 내경 46+/-0.1mm의 내경을 갖는 커버(9)의 경우, 표에 나타난 치수에 따라 플랜지(54)에 의해 얻어지는 조임은 최소 커버 치수에 대해 0.2 내지 0.25mm, 또는 최대 커버 치수에 대해 0 내지 0.05mm 이다.
다시 말해서, 플랜지가 커버(9) 상에 위치할 때, 플랜지의 조임이 보장된다.
상기 플랜지(54)는, 특히 Delrin®이라는 상표명으로 시판되는 PA6-6 또는 폴리옥시메틸렌(POM)과 같은 플라스틱의 사출 성형에 의해 유리하게 제조될 수 있다.
도 34 및 도 35는, 각각 축전지 케이스(6) 상의 제 위치에서 조여지기 전과 후의 플랜지를 도시한다.
따라서, 축전지(A1) 상에 일단 위치되면, 플랜지(54)는, 단자(5)와 중공형 맨드릴(34) 사이의 전기 접속부에서, 인접 축전지(A2)를 가이드 할 수 있다. 이러한 가이드는 이 플랜지(54) 및 축전지 케이스의 바닥(8)의 외주를 통해 이루어진다.
도 36 및 도 37은, 전기적으로 서로 연결고, 단자(5)와 중공형 맨드릴(34)에 의해 조립되며, 또한 이들 사이에 개별적으로 배열된 플랜지(54)에 의해 가이드 되고 서로 분리된 축전지들(A1-A4)을 구비하는 모듈(M) 일부의 외관을 도시한다.
도 38에 도시된 바와 같이, 이러한 조립체는 축전지의 외주에서 열-전달 유체(C1)의 순환을 위한 이중벽 덕트(10)의 아우터 튜브를 구성하는 튜브(12)에 차례로 삽입된다. 이중 벽은, 축전지 케이스(6)의 측면 재킷에 의해 내부적으로 구획된다. 이러한 삽입 과정에서, 축전지(A1-A4)의 가이드는 플랜지(54)의 외경, 즉 스페이서 탭(58)의 외경(Ø1)에 의해 보장된다.
조립된 축전지(A1-A4)의 용이한 장착을 위해 아우터 튜브(12)가 당연히 더 큰 내경을 가져야 한다는 사실 외에도, 내경은, 축전지를 차단하고 특히 진동 스트레스를 견뎌내도록 주의하면서 열-전달 유체 수두 손실(heat-transfer fluid head losses)을 컨트롤 할 수 있도록 플랜지(54)의 외경 및 스페이서 탭(58)의 두께에 따라 치수가 정해진다.
방금 설명한 플랜지(54)의 추가적인 기능은, 접속 중에 그리고 출력 단자(5)에 의해 접속되었을 때 축전지(A1-A2)를 전기적으로 절연시키는 것이다. 도 39는 플랜지(54)의 형태를 통해 두 개의 인접한 축전지 케이스(6) 사이의 모든 접촉, 더욱 구체적으로는 하나의 축전지의 커버(9)와 다른 축전지의 바닥(8) 간의 모든 접촉이 금지되는 것을 명확하게 도시한다.
또한, 본 발명자들은, 플랜지(54)에 또 다른 기능을 할당하는 것을 고려하였다. 실제로, 도 40a 및 40b에 도시된 바와 같이, 본 발명자들은, 인접한 두 개의 축전지 사이의 조립이 완료되면, 플랜지(54)의 베이스(55)와 인접한 케이스(6)의 바닥(8) 사이에 자유 체적(free volume)(V)을 남기는 플랜지(54)를 정의했다.
이에 따라, 본 발명자들은, 각각의 축전지의 전기적 관리를 다른 것과 독립적으로 관리하기에 적합한 전자 모듈(60) 또는 마이크로 컨트롤러를 내부에 수용하기 위해 이러한 가용 볼륨(available volume)(V)을 이용하는 것에 대해 생각했다.
실제로, 배터리 팩에 있어서, 각각의 축전지를 모니터링 하여 그 전압을 팩의 BMS로 되돌릴 수 있는 것이 유리하고, 또한 모든 결함의 검출 및 모든 축전지의 전압 밸런싱이라는 이중 목적을 가지고 그렇게 할 수 있는 것이 유리하다.
보다 구체적으로, 각각의 전자 모듈(60) 또는 마이크로 컨트롤러는, 적어도 하나의 메모리, 각각의 축전지의 외부로부터 및/또는 외부로 데이터를 수신 및/또는 송신 하기에 적합한 통신 모듈, 및 적어도 데이터를 통신 모듈로부터 및/또는 통신모듈로 수신 및/또는 전송하는데 적합한 프로세서를 포함한다.
이에 따라, 본 발명자들은, 도 41a 및 41b에 도시된 바와 같이, 전자 모듈(60)의 지지체로서 플랜지(54)의 베이스(55)를 이용하는 것을 고려하였다. 상기 전자 모듈(60)은, 베이스(55) 상에 글루잉 또는 다른 수단에 의해 고정될 수 있다.
전자 모듈(60)의 전원 공급 장치는, 축전지의 단자에 의해 제공되는 것이 유리하다. 따라서, 도 41b에 도시된 바와 같이, 전력 공급 와이어(61)를 플랜지(54)를 관통하여 하나의 극성으로부터 커버에 전기적으로 연결되도록 설치하고, 반대 극성의 또 다른 전력 공급 와이어(62)를 단자의 암형 부품(50)에 전기적으로 연결 하는 것이 가능하다. 이에 따라, 전력 공급 화이어(61, 62)는, 축전지에 의해 전달된 전류에 의해 전자 모듈(60)에 독립적인 전력을 공급한다.
도 42는 전자 모듈(60)이 플랜지(54)의 베이스(55)의 두께 내에 열성형에 의해 매립되는 변형 예를 도시한다.
도 43은 BMS(70)에 링크되고 전자 모듈(60)에 각각 전력을 공급하는 축전지(A1-A2) 모듈(M)의 등가 전기 회로도를 도시한다. 전자 모듈(60)로부터 BMS로의 전압 복귀는, 축전지(A1-A2)의 전력 회로를 통해 전력 라인 전류(power line current)(PLC)에 의해 수행된다.
이러한 실시예의 변형은, BMS(70)가 이들 전자 모듈과 직접 통신할 수 있도록 모든 전자 모듈(60)을 서로 연결하여, 전압의 복귀 시에 물리적 리던던시(physical redundancy)를 갖도록 구성된다.
이러한 리던던시(redundancy)는, 모듈(60)들 사이의 연결 와이어(64, 65)에 의해 보장된다. 도 44 및 도 45에 도시된 바와 같이, 제1 연결 와이어(64)는 모듈(60)로부터 플랜지(54)의 외측 에지(57)의 두께 내에 배열된 커넥터(60)에 연결되고, 제2 연결 와이어(65)는, 바람직하게 글루잉에 의해, 축전지의 케이스(6)의 측면 재킷(7) 상에 고정되어 플랜지(54) 상의 접속부 각각을 연결한다. 이러한 연결 와이어(64, 65)에 의해, 열-전달 유체(C1)에 추가적인 수두 손실(head loss)이 거의 발생하지 않거나 전혀 발생하지 않게 된다.
도 46은 와이어(64, 65) 및 커넥터(64)에 의한 리던던시(redundancy)를 갖는 등가 전기 회로도를 도시한다.
전기적으로 직렬 연결되고 열-전달 유체(C1 및/또는 C2)의 순환에 의해 냉각/가열되는 축전지들(A1, A2, … Am)의 모듈(M) 및 복수의 모듈(M1, M2…Mn)로 구성되는 배터리 팩을 정의함으로써, 본 발명자들은 특히 가스의 생성 또는 열 폭주의 전파와 관련하여 안전 제어에 집중해 왔다.
이들은, 열-전달 회로를 통해 축전지의 비정상적인 전기화학적 작동으로 인한 가스를 연속적으로 제거할 수 있다고 생각하고, 이를 이용하여 이들 가스를 회수하고 정량화 하였다.
이로써, 이들은, 유체 시스템(fluidic system)을 도 47에 도시된 것처럼 개략적으로 정의하였다.
영구 작동 펌프(permanently operating pump)(80)는 복수의 모듈(M1, M2, M3 등)로 구성된 모듈(M1) 또는 배터리 팩(P)이 작동되는 동안 열-전달 유체(C1 및/또는 C2)를 영구적으로 공급한다.
팽창 용기(expansion vessel)(90)가 이 회로 상에 설치된다. 열-전달 회로 내에서 생성되는 가스는, 이에 따라 팽창 용기(90)의 상부에서 회수된다. 따라서, 가스 과압의 경우, 개시어스 탑(gaseous top)은 채워지게 되고, 이는 자동으로 모듈(M1) 또는 배터리 팩(P) 스케일 상에서 전자 회로를 개방할 수 있는 소정의 과압 임계치를 초과하여 계속적인 작동 안전을 보장한다. 또한, 개시어스 탑(gaseous top)에서의 과압으로부터 팽창 용기를 보호할 수 있도록, 특히 밸브 및/또는 BMS에 의해 구동될 수 있는 조절 부재(regulation member)와 같은 안전 부재가 제공될 수 있다.
전기 회로의 개구부(opening)을 생성하기 위해, 본 발명자들은, 본 발명에 따른 축전지의 각 출력 단자에 파열 멤브레인(rupture membrane) 또는 파열 게이트(rupture gate)를 직접 설치하는 것을 고려하였다.
보다 구체적으로는, 도 48 내지 도 51에 도시된 바와 같이, 수형 부품(5)은 부품의 내부에 연결되는 관통 구멍(66)을 갖는 직경 감소부(41)의 레벨(level)에서 관통된다.
이러한 관통 구멍(66)에는 벤트(vent)를 형성하는 파열 멤브레인(67)이 바람직하게는 용접에 의해 고정되어 있다. 이러한 파열 멤브레인(67)은, 가스에 대해서는 투과성이며, 냉매에 대해서는 비투과성이며 호환 가능하다. 유리한 유형의 멤브레인이 특허출원 WO 1996/016288 A1에 개시되어 있다.
도 49에 도시된 바와 같이, 벤트(vent)는 전형적으로 WO 1996/016288 A1에 따라 가스에 대해서는 투과성이고 냉매에 대해서는 비투과성인 재료로 만들어진 디스크(67) 형태의 멤브레인, 그리고 부품(5) 상에 용접되고 관통 구멍(66) 위로 멤브레인(67)을 샌드위치 시키는 금속제 크라운 링(crown ring)(68)로 이루어질 수 있다.
도 51에 명확히 나타나듯이, 멤브레인(67)은 축전지 단자의 수형 부품(5) 상에 배치되어, 전기화학 동작 과정에서 가스가 형성되는 빈 공간(empty volume) 내에, 즉 집전판(51)의 베이스(52) 상부에 존재한다.
이에 따라, 이러한 멤브레인(67)은 또한 가스 과압의 경우에 있어서 안전 벤트(safety vent)를 구성한다. 실제로, 이 경우, 멤브레인(67)에 형성된 파열 라인(69)은 파손되고 멤브레인(67)은 찢어진다. 파열 값(rupture value)은, 12bar 정도의 최대 가스 압력 값으로 설정될 수 있다.
결과적으로, 모듈(M) 또는 배터리 팩(P)의 축전지 중 어느 하나에서라도 많은 양의 가스가 발생하는 경우, 축전지 내의 가스 과압을 유발하여 멤브레인(67)의 파열을 유발하고, 이로써 과압된 축전지를 바람직하게는 오일인 열-전달 유체(C2)에 의해 범람(flooding)에 이르게 한다.
과압 가스가 팽창 용기의 상부에 도달하고 트리거 임계값이 초과되면, 직렬 전자 회로, 관련된 모듈, 또는 모든 배터리 팩이 개방된다.
본 발명자들은, 본 발명에 따른 다양한 유형의 냉각/가열의 관련성을 나타내기 위해 열적 시뮬레이션을 사용하여 계산을 수행하였다.
일반적으로, 원통형 포맷 및 표준 사이즈(표준 18650, 26650, 50125)를 갖는 축전지에 있어서, 축전지의 교환 표면과 부피 간의 비율(ratio)을 계산할 수 있다.
비율이 높을수록, 축전지의 전기화학 셀은 쉽게 냉각(또는 가열)이 된다. 18650 포맷의 축전지에서 50125 포맷의 축전지로 전환 시에 이러한 비율은 250 에서 95로 변경된다.
따라서, 상대적으로 크기가 큰 축전지의 경우, 열교환 계수는 단위 부피당 교환 표면의 감소를 상쇄하기 위해 증가되어야 한다.
아래의 표 2에 나타난 예시들에 있어서, 축전지에 대해 유지된 형식은 50125 포맷, 즉 직경 50mm 그리고 높이 125mm 였다.
종래의 기술 및 본 발명에 따라 상이한 냉각 모드를 비교하기 위해, 1°C에서의 방전, 즉 대략 13watts 의 방전과 동등한 내부열원이 생성된다.
본 발명에 따른 시뮬레이팅된 축전지는, 중공형 맨드릴을 갖는다. 즉, 축전지는, 그 중심축의 모든 높이에 걸쳐서 구멍이 뚫려 있으며, 그 외경은 9mm 이고 내경은 7mm 이다.
실시예 1에서, 축전지는 중공형 맨드릴을 가지며, 작은 체적을 고려할 때 진정한 냉각 효과 없이 공기가 포획 상태로 유지되는 것으로 명시되어 있다.
또한, 시뮬레이션에 있어서, 축전지는 어떠한 외부 케이스도 갖지 않지만, 그 뚜께가 얇기 때문에 시뮬레이션에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않을 것이라고 명시되어 있다.
Figure pat00002
표 2에 있어서, 축전지의 외벽의 외주를 통한 액체 냉각은 축전지의 평균 온도(mean temperature)를 크게 낮추는 것을 가능하게 한다. 이는, 개방된 공기에서 자연 냉각을 구현하는 종래의 기술에 따른 예시와 비교하였을 때, 평균 온도에서 대략 30℃ 차이가 나기 때문이다.
또한, 축전지의 코어에서의 오일 순환의 부가, 즉 중공형 맨드릴에서의 중심부의 높이 전체에 걸친 오일 순환의 부가는, 축전지의 코에에서의 온도차를 감소시키는 것을 가능하게 한다.
본 발명은, 지금까지 설명한 예들에 한정되지 않는다. 특히, 도시된 실시예들을 도시되지 않은 변형예들에 조합시킬 수 있다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 변형 및 개선을 생각할 수 있다.
상술한 모든 예시들에서, 도시된 축전지(A1-A4)는 원통형 포맷이지만, 각형 포맷(prismatic format)의 축전지로도 본 발명의 모든 특징들을 만들어 내는 것을 고려할 수 있다.
또한, 상술된 모든 예에서, 하나의 동일한 모듈(M)의 축전지(A1-A4) 그리고 서로 전기적/유체적으로 연결된 여러 개의 모듈(M1…Mn)에 대한 냉각 또는 균일화된 온도를 생성하기 위해 하나 이상의 열-전달 유체의 순환이 기술되었다. 열-전달 유체는 또한 축전지를 예열하거나 일정한 온도로 축전지를 유지하기 위한 가열 유체(heating fluid)일 수 있다. 이는 일반적으로 주위 온도보다 높은 작동 온도가 요구되는 특정 셀 케미스트리(certain cell chemistries)에 유리할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 중공형 서브 조립체(hollow subassembly)(33)의 제조를 위해, 한편으로는 절연 부품(43)과 단자의 수형 부품(male part)(5) 사이, 다른 한편으로는 절연 부품(43)과 반대 극성 단자를 형성하는 맨드릴(34) 사이의 용접을 위한 마그네틱 펄스 용접 방식(magnetic pulse welding method)이 기술되었다. 밴딩 및/또는 글루잉과 같은 이들 상이한 부품(5, 34, 43) 사이의 다른 조립 기술을 고려하는 것은 완벽하게 가능하다.

Claims (14)

  1. - 금속-이온 전기화학 축전지(A1-A4)를 포함하는 배터리 팩(P),
    - 각각의 축전지에서 발생되어 열-전달 액체 안에서 순환 되어지는 가스를 검출하고 수집하기에 적합한 팽창 용기(90)를 포함하며, 축전지를 냉각 또는 가열하기 위한 열-전달 액체 회로(C1 및/또는 C2);
    를 포함하며,
    각 금속-이온 전기화학 축전지는, 가스에 대해 투과성이고 열-전달 유체에 비투과성인 파열 멤브레인(67)을 포함하며, 상기 멤브레인은 축전지에 의해 발생된 가스가 외부로 통과하는 것을 허용하도록 축전지 내에 배치되고 고정되는,
    배터리 팩 내의 가스를 모니터링 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    축전지로부터의 가스에 의해 야기되는 초과 압력으로부터 팽창 용기를 보호하는 안전 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 안전 부재는 밸브, 및/또는 배터리 팩의 축전지 제어 시스템(BMS)에 의해 구동될 수 있는 조정 부재인 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 금속-이온 전기화학 축전지는, 축전지의 케이스의 벽(9) 양 측에 있는 오리피스(47)를 관통해 생성되며, 상기 시스템은 다음을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템:
    - 축전지 바깥으로 나오는 통로와, 이 부품의 내부를 결합하는 쓰루-홀(66)을 내부에 포함하고 있는 전기전도성 부품;
    - 쓰루-홀(66) 상에 고정되어 있는 파열 멤브레인(67).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 멤브레인은, 전기전도성 부품(5) 상으로 용접된 금속 크라운 링(68)에 의해 쓰루-홀(66) 상에 샌드위치된 디스크(67) 형태인 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전기전도성 부품(5)은 축전지 케이스로부터 돌출된 수형 부품(male part)인 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수형 부품은 니켈 도금된 구리 또는 알루미늄 합금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 부싱은 다음을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템:
    - 환형이고, 축전지의 바깥에서 수형 부품의 주변에 타이트하게 맞춰지는 전기전도성 암형 부품(50);
    - 두 개의 전기 절연성 와셔(48, 49)(와셔 각각은 벽면들 중 한 면에 대한 압력을 그 표면에 의해 지탱하는 지지부와 지지부에 대해 돌출되어 있고 오리피스(47)의 가장자리에 접촉하고 있는 가이딩부를 포함하고; 한 와셔(48)의 지지부는 암형 부품에 대한 압력을 지탱하고; 다른 와셔의 지지부는 수형 부품에 대한 압력을 지탱함).
  9. 제6항에 있어서,
    상기 수형 부품은 다음을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템:
    - 축전지를 고정하거나 제거하기 위해 다른 사사산(35)에 조여 사용하는 나사산(36);
    - 암형 부품(50)의 직경을 타이트하게 하도록 상기 나사산(36) 아래에 위치하는 제1 직경 확대부(39), 및
    - 전기절연성 와셔(49)를 지탱하는 표면 및 축전지의 전기화학 셀과 전기적 링크를 형성하기 위한 집전판(51)에 대한 연결 표면 둘 다로 기능하며, 제1 직경 확대부의 연속선 상에 있는 제2 직경 확대부(40).
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수형 부품(5)은, 그 바닥부에, 제2 직경 확대부(40) 아래로, 파열 멤브레인(67)이 그 위에 고정되는 쓰루-홀(66)을 포함하고 있는 지경 감소부(41)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 부싱은, 케이스(6)의 커버(9)를 관통하여 제조되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 커버는, 알루미늄 1050 또는 3003과 같은 알루미늄으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 파열 멤브레인(67)은 단자와 축전지의 전기화학 셀 사이에 있는 전기적 링크의 집전판(51)과 커버(9) 사이에 구획 되어진 빈 공간 안에 마련되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    음극의 재료는, 그라파이트, 리튬, 티탄산염 산화물(Li4TiO5O12)을 포함하는 그룹으로부터 선택되고, 양극의 재료는 LiFePO4, LiCoO2, LiNi0 . 33Mn0 . 33Co0 . 33O2을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
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