KR20230049639A - 배터리를 위한 열 전도성 칸막이 구성 - Google Patents

배터리를 위한 열 전도성 칸막이 구성 Download PDF

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스리칸스 판날라
니크힐 케이. 이. 베르게세
레미쉬 쿠지칼리
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사빅 글로벌 테크놀러지스 비.브이.
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Abstract

본 개시는 배터리 팩을 사용하는 시스템, 디바이스 및 방법을 포함한다. 배터리 팩은 복수의 셀 및 칸막이를 포함한다. 복수의 셀은 제1 셀 및 제2 셀을 포함하고, 칸막이는 제1 셀과 제2 셀 사이에 위치되며, 칸막이의 면내 전도도가 0.1 내지 100 와트/미터 켈빈이거나, 셀의 면내 전도도가 1 내지 100 와트/미터 켈빈이거나, 이들의 조합이도록 구성된다. 일부 양태에서, 칸막이는 제1 셀과 대면하도록 구성되고 제1 셀과 제2 셀 사이에 개재된 제1 표면, 및 제1 표면으로부터 연장되고 제1 셀과 대면하며 제1 셀과 제3 셀 사이에 개재된 제2 표면을 포함할 수 있다.

Description

배터리용 열 전도성 디바이더 구성
본 개시는 일반적으로 하나 이상의 배터리 전원 유닛의 열/전기적/기계적 관리에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 다수의 재충전 가능한 배터리와 함께 사용하기 위한 배터리 및 배터리 칸막이에 관한 것이지만 이에 제한되지 않는다.
배터리는 휴대폰, 태블릿, 개인용 컴퓨터, 하이브리드 전기 차량, 완전 전기 차량 및 에너지 저장 시스템과 같은 광범위한 응용에서 전자 및 기계 디바이스에 전력을 공급하는 데 점점 더 많이 사용되고 있다. 구체적으로, 리튬-이온(Li-이온) 배터리와 같은 재충전 가능한 배터리는 높은 전력 및 에너지 밀도, 긴 사이클 수명, 우수한 저장 능력 및 메모리가 없는 재충전 특성과 같은 몇 가지의 매력적인 특징으로 인해 대중화되었다. 재충전 가능한 배터리는 높은 전력 출력을 제공하고 장기간 사용을 위해 반복적으로 충전 및 방전되도록 설계되며, 이에 따라 배터리 수명(예를 들어, 총 수명 및 충전당 수명), 배터리 안정성 및 배터리 크기가 배터리 설계에 필수적이다.
일부 재충전 가능 배터리는 전기 차량과 같이 보다 크고 보다 까다로운 응용을 위한 보다 높은 용량 및 전력 출력을 갖는 배터리 팩을 생성하기 위해 직렬 및/또는 병렬로 연결된 몇 개의 배터리 전원 유닛(예를 들어, 셀)을 갖는 배터리 팩을 포함한다. 그러나, 고전력 응용에서 원하는 전력을 출력하는 데 필요한 셀의 양은 몇 가지 문제를 야기할 수 있다. 예를 들어, 고전력 배터리 팩에 사용되는 전원 유닛의 양이 많을수록, 배터리 팩의 작동 온도가 상승한다. 대부분의 재충전 가능한 배터리는 실온(예를 들어, 20 내지 40℃)에서 효율적으로 작동하고, 이러한 범위를 벗어나는 온도에서는 용량이 급격하게 감소하고, 배터리가 심각한 열적 위험(예를 들어, 덴드라이트(dendrite)로 인한 단락, 과충전)에 노출되기 쉽다. 기계적 크러시(crush)/충돌 또는 이물체 침투에 노출된 배터리는 일련의 열 방출 이벤트를 트리거하여 열 폭주를 유발한다. 추가적으로, 고전력 배터리 팩의 개별 전원 유닛 사이에 상당한 온도 변동이 일어나서, 전기적 불균형이 생길 수 있다. 일부 경우에, 열 문제를 해결하기 위해, 현재의 고전력 배터리 팩은 느슨하게 패킹되어야 하며, 그에 따라 지나치게 다루기 어려워지고 과도하게 무거워진다. 충돌 또는 이물질 침입으로 인한 안전 문제를 해결하기 위해, 중량, 체적 및 추가 비용이 증가하는 대신에 배터리의 안전한 작동을 보장하도록 배터리 주위에 상당한 보호물이 제공되어야 한다. 배터리 안전 및 수명은 셀의 열/기계적 관리와 밀접하게 연결되어 있으며, 현재의 고전력 배터리 팩은 조밀 패킹되는 경우 효과적인 열 전달을 제공할 수 없고, 충돌 흡수 팩 구조를 가능하게 하기에 적합한 형식을 갖지 못한다.
본 개시는 일반적으로 하나 이상의 배터리 전원 유닛을 갖는 배터리 팩의 온도 제어 시스템, 디바이스 및 방법에 관한 것이다. 예를 들어, 장치는 배터리 서브팩을 포함할 수 있다. 배터리 서브팩은 제1 셀 및 제2 셀을 포함하는 복수의 셀; 및 칸막이를 포함한다. 칸막이는 제1 평면 및 제1 평면과는 상이한 제2 평면에서 연장되고, 칸막이의 적어도 일부는 제1 셀과 제2 셀 사이에 위치된다. 칸막이의 면내 전도율은 0.1 내지 100 와트/미터 켈빈이거나; 복수의 셀 중 하나의 셀의 면내 전도도는 1 내지 100 와트/미터 켈빈이거나; 이들의 조합이다. 일부 구현예에서, 복수의 셀들은 제3 셀을 추가로 포함하고, 칸막이는 제1 셀과 대면하도록 구성되고 제1 셀과 제2 셀 사이에 개재된 제1 표면; 및 제1 표면으로부터 연장되고 제1 셀과 대면하며, 제1 셀과 제3 셀 사이에 개재된 제2 표면을 포함한다.
본 시스템, 디바이스 및 방법의 일부 구현예에서, 장치는 배터리 서브팩을 포함할 수 있다. 배터리 서브팩은 제1 셀과 제2 셀을 포함하는 복수의 셀을 포함한다. 복수의 셀은 배터리 서브팩의 제1 측면과 제1 측면에 대향하는 제2 측면 사이에 개재된다. 배터리 서브팩은 또한 칸막이를 포함한다. 칸막이는 제1 평면 및 제1 평면과는 상이한 제2 평면에서 연장되고, 칸막이의 적어도 일부는 제1 셀과 제2 셀 사이에 위치된다. 복수의 셀은 섭씨 20 내지 40도 범위 내의 전체 온도에서 작동하는 동안 및 복수의 셀이 25% 용량 방전을 위해 2의 C-레이트로 언로딩되는 동안에 배터리 서브팩의 순간 변화량이 섭씨 10도 이하가 되도록 구성된다. 일부 구현예에서, 복수의 셀은 제3 셀을 추가로 포함하며, 칸막이는 제1 셀과 대면하도록 구성되고 제1 셀과 제2 셀 사이에 개재된 제1 표면; 및 제1 표면으로부터 연장되고 제1 셀과 대면하며, 제1 셀과 제3 셀 사이에 개재된 제2 표면을 포함한다.
본 시스템, 디바이스 및 방법의 일부 구현예에서, 장치는 배터리 서브팩을 포함할 수 있다. 배터리 서브팩은 제1 셀 및 제2 셀을 포함하는 복수의 셀을 포함하며, 복수의 셀은 배터리 서브팩의 제1 측면과 제1 측면에 대향하는 제2 측면 사이에 개재된다. 배터리 서브팩은 또한 제1 평면 및 제1 평면과는 상이한 제2 평면에서 연장되는 칸막이를 포함하며, 칸막이의 적어도 일부는 제1 셀과 제2 셀 사이에 위치된다. 복수의 셀은 복수의 셀이 25% 용량 방전을 위해 2의 C-레이트로 언로딩되는 동안에 배터리 서브팩의 순간 변화량이 주변 온도의 섭씨 ±20도 이내가 되도록 구성된다. 일부 구현예에서, 복수의 셀은 제3 셀을 포함할 수 있으며, 칸막이는 제1 셀과 대면하도록 구성되고 제1 셀과 제2 셀 사이에 개재된 제1 표면; 및 제1 표면으로부터 연장되고 제1 셀과 대면하며 제1 셀과 제3 셀 사이에 개재된 제2 표면을 포함한다.
본 시스템, 디바이스 및 방법의 일부 구현예에서, 장치는 배터리 서브팩을 포함할 수 있다. 배터리 서브팩은 제1 직육면체 셀 및 제2 직육면체 셀을 포함하는 복수의 직육면체 셀을 포함한다. 복수의 직육면체 셀은 직육면체 케이스 내에 위치된다. 직육면체 케이스는 복수의 셀을 통한 수평 단면을 포함할 수 있으며, 복수의 셀은 수평 단면의 총 면적의 적어도 50%를 포함한다. 일부 구현예에서, 복수의 셀은 수평 단면의 적어도 80%를 포함한다. 대안적인 구현예에서, 복수의 셀은 직육면체 이외의 구조를 형성하도록 배열될 수 있다.
본 시스템, 디바이스 및 방법의 일부 구현예에서, 장치는 배터리 서브팩을 포함할 수 있다. 배터리 서브팩은 제1 셀, 제2 셀, 제1 측면, 및 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 포함하는 복수의 셀을 포함한다. 배터리 서브팩은 또한 제1 측면과 제2 측면 사이에 위치된 하나 이상의 칸막이를 포함한다. 하나 이상의 칸막이는 제1 평면 및 제1 평면과는 상이한 제2 평면에서 연장되며, 하나 이상의 칸막이의 적어도 일부는 제1 셀과 제2 셀 사이에 위치된다. 배터리 서브팩은 복수의 셀의 제2 측면에 배치된 플레이트를 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 복수의 셀은 제3 셀을 포함할 수 있으며, 하나 이상의 칸막이는 제1 셀과 대면하도록 구성된 제1 표면 및 제1 표면으로부터 연장되고 제1 셀과 대면하도록 구성된 제2 표면을 포함한다. 제1 표면은 제1 셀과 제2 셀 사이에 개재되고, 제2 표면은 제1 셀과 제3 셀 사이에 개재된다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 칸막이의 제1 표면 및 제2 표면은 단일의 일체형 칸막이를 형성하도록 협력한다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 제1 표면은 제1 칸막이에 대응하고, 제2 표면은 제1 칸막이에 인터로킹 결합되는 제2 칸막이에 대응한다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 복수의 셀의 각각의 셀은 리튬-이온 배터리이다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 배터리 서브팩은 복수의 셀의 제2 측면에 배치된 플레이트를 추가로 포함한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 복수의 셀은 제1 측면과 제1 측면에 대향하는 제2 측면 사이에 개재된다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 칸막이는 섬유, 탄소 섬유, 고배향 폴리올레핀, 폴리머, 금속화 폴리머 및 고전도성 금속을 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료를 포함한다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 칸막이는 폴리머를 포함하거나, 칸막이는 액체 채널을 한정하거나, 이들의 조합이다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 칸막이는 복수의 섬유를 포함하고, 복수의 섬유의 하나의 섬유는 복수의 셀의 제1 측면에 위치된 제1 단부 및 복수의 셀의 제2 측면에 위치된 제2 단부를 포함한다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 플레이트는 제1 평면 표면 및 제1 평면 표면과 복수의 셀 사이에 개재된 제2 평면 표면을 포함한다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 수평 단면은 플레이트의 제2 평면 표면과 평행하다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 하나 이상의 칸막이는 복수의 셀의 각각의 셀을 둘러싸도록 추가로 구성된다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 하나 이상의 칸막이에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 셀의 부분은 하나 이상의 셀의 제2 측면에 근접하게 위치된다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 하나 이상의 칸막이는 복수의 셀의 제1 측면 및 복수의 셀의 제2 측면으로부터 연장된다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 하나 이상의 칸막이는 복수의 셀 중 제1 셀과 대면하는 제1 표면을 갖는 제1 칸막이, 및 제1 셀과 대면하고 제1 표면에 직교하는 제2 표면을 갖는 제2 칸막이를 포함한다. 일부 구현예에서, 제1 칸막이는 복수의 셀 중 제1 셀과 제2 셀 사이에 개재된다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 플레이트는 제1 표면 및 제1 표면과 복수의 셀 사이에 개재된 제2 표면을 포함하고; 하나 이상의 칸막이는 플레이트의 제2 표면에 직교하는 제3 표면을 갖는 제1 칸막이를 포함한다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 복수의 셀은 복수의 셀이 25% 용량 방전을 위해 2의 C-레이트로 언로딩되는 동안에 각각의 셀의 제1 측면과 제2 측면 사이의 온도 차이가 인치당 섭씨 5도를 초과하지 않도록 구성된다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 플레이트는 하나 이상의 채널을 한정한다. 일부 구현예에서, 배터리 서브팩은 하나 이상의 채널 내에 위치된 액체를 추가로 포함한다.
전술한 장치 중 하나 이상에서, 복수의 셀의 각각의 셀은 셀의 단부에 배치된 음극 단자 및 양극 단자를 포함한다.
전술한 장치들 중 하나 이상에서, 복수의 셀 중 제1 셀은 제1 셀의 제1 측면에 위치된 제1 버스바, 및 제1 셀의 제1 측면에 대향하는 제1 셀의 제2 측면에 위치된 제2 버스바, 또는 이들의 조합을 포함한다. 제1 버스바, 제2 버스바, 또는 둘 모두는 열적으로 및/또는 전기적으로 전도성이도록 구성될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 다양한 전문용어는 특정 구현예를 설명하기 위한 목적만을 위한 것이며, 구현예를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 본원에 사용된 바와 같이, 구조, 구성요소, 동작 등의 요소를 수식하는 데 사용되는 서수 용어(예를 들어, "제1", "제2", "제3" 등)는 그 자체로 다른 요소에 대한 요소의 임의의 우선순위 또는 순서를 나타내는 것이 아니라, 오히려 단순히 요소를 동일한 명칭(단, 서수 용어를 사용함)을 갖는 다른 요소와 구별하는 것일 뿐이다. 용어 "결합된"은 반드시 직접적으로나 반드시 기계적으로는 아니지만 연결된 것으로 정의되며; "결합된" 2 개의 물품은 서로 일체형일 수 있다. 단수 용어("a" 및 "an")는 본 개시에서 달리 명시적으로 요구하지 않는 한 하나 이상으로 정의된다. 용어 "실질적으로"는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 지정된 것의 대부분이지만 반드시 전부는 아닌 것으로 정의된다(그리고, 지정된 것을 포함하며; 예를 들어, 실질적으로 90도는 90도를 포함하고, 실질적으로 평행은 평행을 포함함). 임의의 개시된 구현예에서, 용어 "실질적으로"는 지정된 것의 "[백분율] 이내"로 대체될 수 있으며, 여기서 백분율은 .1%, 1%, 5% 및 10%를 포함한다.
본원에 사용된 바와 같은 용어 "약"은 값 또는 범위에서 어느 정도의 변동성, 예를 들어 언급된 값 또는 언급된 범위의 한계의 10% 이내, 5% 이내 또는 1% 이내의 변동성을 허용할 수 있으며, 정확한 언급된 값 또는 범위를 포함한다. 용어 "실질적으로"는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 지정된 것의 대부분이지만 반드시 전부는 아닌 것으로 정의된다(그리고, 지정된 것을 포함하며; 예를 들어, 실질적으로 90도는 90도를 포함하고, 실질적으로 평행은 평행을 포함함). 임의의 개시된 구현예에서, 용어 "실질적으로"는 지정된 것의 "[백분율] 이내"로 대체될 수 있으며, 여기서 백분율은 .1%, 1%, 5%를 포함하며; 용어 "대략"은 지정된 것의 "10% 이내"로 대체될 수 있다. 표현 "실질적으로 X 내지 Y"는 달리 지시되지 않는 한, "실질적으로 X 내지 실질적으로 Y"와 동일한 의미를 갖는다. 마찬가지로, 표현 "실질적으로 X, Y, 또는 실질적으로 Z"는 달리 지시되지 않는 한, "실질적으로 X, 실질적으로 Y 또는 실질적으로 Z"와 동일한 의미를 갖는다. 문구 "및/또는"은 "및" 또는 "또는"을 의미한다. 예시를 위해, A, B 및/또는 C는 A 단독, B 단독, C 단독, A와 B의 조합, A와 C의 조합, B와 C의 조합, 또는 A와 B와 C의 조합을 포함한다. 다시 말해서, "및/또는"은 포괄적 "또는"으로서 작동한다. 추가적으로, 문구 "A, B, C 또는 이들의 조합' 또는 "A, B, C 또는 이들의 임의의 조합"은 A 단독, B 단독, C 단독, A와 B의 조합, A와 C의 조합, B와 C의 조합, 또는 A와 B와 C의 조합을 포함한다.
본 문서 전체에 걸쳐, 범위 형식으로 표현된 값은 범위의 한계로서 명시적으로 기재된 수치 값을 포함할 뿐만 아니라, 각각의 수치 값 및 하위 범위가 명시적으로 기재된 것처럼 해당 범위 내에 포함되는 모든 개별 수치 값 또는 하위 범위를 포함하는 것으로 유연한 방식으로 해석되어야 한다. 예를 들어, "약 0.1% 내지 약 5%" 또는 "약 0.1% 내지 5%"의 범위는 약 0.1% 내지 약 5%뿐만 아니라, 표시된 범위 내의 개별 값(예를 들어, 1%, 2%, 3% 및 4%) 및 하위 범위(예를 들어, 0.1% 내지 0.5%, 1.1% 내지 2.2%, 3.3% 내지 4.4%)를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 용어 "포함하다(comprise)"(및 "포함한다" 및 "포함하는"과 같은 포함하다의 임의의 형태), "갖다(have)"(및 "갖는다" 및 "갖는"과 같은 갖다의 임의의 형태) 및 "포함하다(include)"(및 "포함한다" 및 "포함하는"과 같은 포함하다의 임의의 형태)는 개방형 연결 동사이다. 결과적으로, 하나 이상의 요소를 "포함하거나", "갖거나", 또는 "포함하는" 장치는 그러한 하나 이상의 요소를 가지지만, 그러한 하나 이상의 요소만을 가지는 것에 제한되지 않는다. 마찬가지로, 하나 이상의 단계를 "포함하거나", "갖거나", 또는 "포함하는" 방법은 그러한 하나 이상의 단계를 가지지만, 그러한 하나 이상의 단계만을 가지는 것에 제한되지 않는다.
임의의 시스템, 방법 및 제조 물품의 임의의 구현예는 임의의 설명된 단계, 요소 및/또는 특징으로(이들을 포함하다/갖는다/포함하다보다는) 구성되거나 본질적으로 구성될 수 있다. 따라서, 임의의 청구항에서, 용어 "구성되는" 또는 "본질적으로 구성되는"은 상기에 기재된 임의의 개방형 연결 동사를 대체하여, 개방형 연결 동사를 사용하여 다르게 되는 것으로부터 주어진 청구항의 범위를 변경할 수 있다. 또한, 용어 "여기서(wherein)"는 "거기서(where)"와 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다. 또한, 특정 방식으로 구성된 디바이스 또는 시스템은 적어도 해당 방식으로 구성되지만, 구체적으로 설명된 것과 다른 방식으로 구성될 수도 있다. 본 개시 또는 구현예의 특성에 의해 명시적으로 금지되지 않는 한, 설명되거나 예시되지 않은 경우에도 하나의 구현예의 특징 또는 특징들이 다른 구현예에 적용될 수 있다.
구현예와 연관된 일부 세부사항은 상기에 설명되어 있으며, 다른 세부사항은 하기에서 설명된다. 본 개시의 다른 구현예, 이점 및 특징은 하기의 섹션, 즉 도면의 간단한 설명, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 청구범위를 포함하는 전체 출원을 검토한 후에 명백해질 것이다.
하기의 도면은 제한 없이 예로서 예시한다. 간결화 및 명확화를 위해, 주어진 구조의 모든 특징들은 해당 구조가 나타나는 모든 도면에서 항상 부호가 지정되는 것은 아니다. 동일한 참조 번호가 반드시 동일한 구조를 나타내는 것은 아니다. 오히려, 유사한 특징 또는 유사한 기능을 갖는 특징을 나타내기 위해 동일한 참조 번호가 사용될 수 있고, 동일하지 않은 참조 번호가 사용될 수도 있다.
도 1a는 본 배터리 서브팩의 일 예의 사시도이다.
도 1b는 라인 1B-1B를 따른 도 1a의 배터리 서브팩의 상부 단면도이다.
도 2a는 복수의 칸막이를 갖는 배터리 서브팩의 다른 예의 사시도이다.
도 2b는 라인 2B-2B를 따른 도 2a의 배터리 서브팩의 상부 단면도이다.
도 2c는 배터리 서브팩의 다른 예의 상부 단면도이다.
도 2d는 배터리 서브팩의 다른 예의 상부 단면도이다.
도 2e는 배터리 서브팩의 다른 예의 상부 단면도이다.
도 3은 배터리 서브팩의 다른 예의 사시도이다.
도 4a는 열 및 충돌 관리 시스템의 배터리의 측면도이다.
도 4b는 도 4a의 배터리의 상부 단면도이다.
도 5a는 본 열 관리 시스템의 대안적인 배터리의 사시도이다.
도 5b는 도 5a의 배터리의 상부 단면도이다.
도 6은 배터리 서브팩을 작동시키는 방법의 일 예의 흐름도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 열 시뮬레이션에 사용되는 본 열 관리 시스템의 배터리 서브팩의 평면도 및 사시도이다.
도 8a는 제1 온도 시뮬레이션 동안 도 7a의 배터리 서브팩의 외부의 온도 프로파일의 예시적인 모델이다.
도 8b는 도 8a의 배터리 서브팩의 단면의 온도 프로파일의 예시적인 모델이다.
도 8c는 도 8a의 배터리 서브팩의 3 개의 셀의 온도 프로파일의 예시적인 모델이다.
도 8d는 시간과 관련하여 2 개의 위치에서 도 8a의 배터리 서브팩의 최고 온도를 나타내는 그래프이다.
도 9a는 제2 온도 시뮬레이션 동안 도 7a의 배터리 서브팩의 외부의 온도 프로파일의 예시적인 모델이다.
도 9b는 도 9a의 배터리 서브팩의 단면의 온도 프로파일의 예시적인 모델이다.
도 9c는 도 9a의 배터리 서브팩의 3 개의 셀의 온도 프로파일의 예시적인 모델이다.
도 9d는 시간과 관련하여 2 개의 위치에서 도 9a의 배터리 서브팩의 최고 온도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 시스템 레벨에서의 에너지 밀도 및 비에너지 대 시스템 레벨에서의 에너지 밀도 및 비에너지이다(출처:
Figure pct00001
et al., From Cell to Battery System in BEVs: Analysis of System Packing Efficiency and Cell Types, World Electric Vehicle Journal, 2020)
도 11은 셀 에너지 밀도와 비교하여 시스템 레벨 에너지 밀도가 70%가 되도록 금속 플라스틱 하이브리드 격자 구조로 배열된 정사각형 단면 셀이다.
도 12는 27℃의 냉각수 온도에서 일정한 2C 방전으로의 방전 종료(30분) 시의 온도이다. 도면의 a)는 배터리 팩의 온도 등고선이고; b)는 중간면의 온도 등고선이다.
도 13은 셀 에너지 밀도와 비교하여 시스템 레벨 에너지 밀도가 60% 내지 70%가 되도록 금속 플라스틱 하이브리드 격자 구조로 배열된 육각형 단면 셀이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 배터리 서브팩(100)의 예시적인 도면이 도시되어 있다. 예를 들어, 도 1a는 배터리 서브팩(100)의 사시도를 도시한다. 예시로서, 배터리 서브팩(100)은 도 1a에 도시된 바와 같이 오른손 좌표계를 참조하여 설명될 수 있으며, 여기서 x축은 페이지의 좌우 방향에 대응하고, Z축은 페이지의 상하 방향에 대응하며, Y축은 페이지 내로 직교하여 진행하는 축에 대응한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 배터리 서브팩(100)은 케이스(102), 복수의 셀(110), 제1 칸막이(120) 및 플레이트(140)를 포함한다.
도시된 바와 같이, 셀(110)은 제1 셀(112) 및 제2 셀(114)을 포함한다. 셀(110)은 다수 회 방전 및 재충전될 수 있는 재충전 가능한 또는 이차 셀일 수 있다. 예를 들어, 제1 셀(112) 및 제2 셀(114)은 리튬-이온 배터리일 수 있다. 도시된 바와 같이, 셀(110)은 셀의 하나 이상의 내부 구성요소가 배치되는 챔버를 한정할 수 있는 커버(116)를 포함한다. 예를 들어, 셀(110)은 예를 들어 하나 이상의 버스바, 하나 이상의 집전체, 하나 이상의 분리막, 애노드, 캐소드 또는 이들의 조합과 같은 하나 이상의 내부 구성요소를 포함할 수 있다. 셀(110)은 각주형, 원통형 또는 다른 적합한 형상일 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 셀(112) 및 제2 셀(114)은 직육면체로서 형상화되고, 배터리 서브팩(100)에 최대 수의 셀을 제공하기 위해 셀(110, 112)이 매우 근접하게 위치될 수 있도록 도시된 바와 같이 행으로 배열될 수 있다. 도 1a는 2 개의 셀을 도시하지만, 배터리 서브팩(100)은 셀이 배터리 서브팩(100)에 최대 수의 셀을 제공하기 위해 매우 근접하게 위치될 수 있도록 행 및 열로 배열된 2 개 초과의 셀을 포함할 수 있다. 셀을 행 및/또는 열로 배열함으로써, 많은 수의 셀이 제공되어 배터리 서브팩(100)의 전력 출력을 증가시킬 수 있다.
일부 구현예에서, 셀(110)은 배터리 서브팩(100)의 제1 측면(106)과 제2 측면(108) 사이에 개재되며, 제2 측면은 제1 측면에 대향하여 있다. 예를 들어, 셀(110)은 케이스(102) 내에 배치될 수 있다. 케이스(102)는 공동(104)을 한정하도록 협력하는 하나 이상의 벽(103)을 포함할 수 있다.
케이스(102)는 강성, 반강성 또는 가요성 재료를 포함할 수 있고, 셀(110)을 외부 환경으로부터 분리하도록 작동할 수 있다. 이러한 방식으로, 셀(110)는 외부 오염물질로부터 차폐될 수 있고, 배터리 서브팩(100)의 안전한 취급을 허용할 수 있다. 도시된 바와 같이, 케이스(102)는 최대 수의 셀이 케이스 내에 배열될 수 있도록 셀(110)과 유사하게 형상화(예를 들어, 직육면체)된다. 일부 구현예에서, 케이스(102)는 열 전도성 재료를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 케이스(102)는 적어도 셀(110)에 의해 생성된 열을 분배(또는 소산)함으로써 배터리 서브팩(100)의 열 관리를 용이하게 하는 것을 도울 수 있다.
일부 구현예에서, 케이스(102)는 플레이트(140)를 포함한다. 예를 들어, 플레이트(140)는 케이스(102)의 제2 측면(108)을 한정하거나 제2 측면(108) 상에 위치될 수 있다. 플레이트(140)는 제1 표면(142) 및 제1 표면에 대향하는 제2 표면(144)을 포함한다. 일부 구현예에서, 플레이트(140)는 벽(103) 및/또는 셀(110)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 벽(103) 및/또는 셀(110)은 제1 표면(142)의 상부에 배치될 수 있다. 도시된 바와 같이, 140은 직사각형이지만, 플레이트는 임의의 적합한 방식으로 크기설정 및 형상화될 수 있다.
제1 칸막이(120)는 제1 셀(112)과 제2 셀(114) 사이에 위치된다. 제1 칸막이(120)는, 열 이벤트의 셀간 전파를 방지하도록 셀 사이에 단열을 제공하거나, 칸막이뿐만 아니라 하부의 냉각 플레이트에 걸쳐 열을 분배(또는 소산)하도록 높은 면내 전도도를 가능하게 하거나, 충돌 또는 이물체의 기계적 침입의 충격을 분산시킴으로써 구조적 무결성을 제공하거나, 이들의 조합을 제공하기 위해, 본원에 설명된 바와 같이 크기설정되고, 위치되며, 재료로 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 칸막이(120)의 열 전도도는 0.1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 50, 55, 80, 85, 90, 95, 100, 110 또는 120 와트/미터 켈빈("W/(m·K)") 중 어느 하나보다 크거나 실질적으로 동일하거나, 이들 중 임의의 두 수치 사이에 있다. 열 전도도는 평면(예를 들어, X, Y 또는 Z 평면)을 따라 측정될 수 있다. 예를 들어, 제1 칸막이(120)의 면내 전도도는 10 와트/미터 켈빈 이상 및 100 와트/미터 켈빈 이하일 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 칸막이(120)는 제1 및 제2 셀(112, 114)과 접촉하지만, 다른 구현예에서, 제1 칸막이는 제1 칸막이가 셀로부터 열을 효과적으로 제거할 수 있게 하도록 셀에 인접하게 위치된다. 도시된 바와 같이, 제1 칸막이(120)는 제1 칸막이와 제1 및 제2 셀 사이의 열 전달 면적을 최대화하기 위해 제1 셀(112) 및 제2 셀(114)의 일 측면 전체를 따라 연장된다. 제1 칸막이(120)는 공동(104) 내에 배치되고, 공동 전체를 따라 연장될 수 있다.
제1 칸막이(120)는 제1 셀(112)과 제2 셀(114) 사이에 개재되고, Z축에 대응하는 적어도 제1 방향(예를 들어, 셀의 높이)으로 셀에 의해 생성된 열을 분배하도록 구성된다. 일부 그러한 구현예에서, 제1 칸막이(120)는 섬유의 제1 단부로부터 섬유의 제2 단부로 분배되는 열이 또한 제1 방향으로 분배되도록 제1 방향으로 배향된 복수의 섬유를 포함한다. 일부 구현예에서, 제1 칸막이(120)는 제1 칸막이의 길이에 대응하는 제2 방향으로(예를 들어, Y축을 따라) 열을 분배할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 칸막이(120)는 셀로부터 열을 분배하기 위해 제1 셀(112) 및/또는 제2 셀(114)의 일 측면 초과를 둘러싸거나 완전히 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제1 칸막이(120)는 제1 평면 및 제1 평면과는 상이한 제2 평면에서 연장될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 칸막이(120)는 단일의 일체형 칸막이 또는 독립적이거나 결합된 제1 칸막이 및 제2 칸막이와 같은 하나 이상의 칸막이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 칸막이 및 제2 칸막이는 인터로킹 결합될 수 있다.
제1 칸막이(120)는 또한 셀(예를 들어, 112) 중 하나에서 열 이벤트(예를 들어, 열 폭주) 동안에 셀간 전파를 방지할 수 있다. 예를 들어, 제1 칸막이(120)는 제1 및 제2 셀(112, 114) 사이의 방화벽으로서 역할을 하는 내염성 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 구현예에서, 제1 칸막이(120)는 내염성 특성을 갖는 섬유를 포함한다. 이러한 방식으로, 하나의 셀에서의 고장이 억제될 수 있고, 배터리 서브팩(100)의 완전한 파괴가 방지될 수 있다.
도시된 구현예에서, 제1 칸막이(120)는 플레이트(140)(예를 들어, 제2 측면(108))로부터 제1 측면(106)을 향해 연장된다. 제1 칸막이(120) 및 플레이트(140)는 배터리 서브팩(100)의 작동 동안에 셀(110)로부터의 열 전달을 용이하게 할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 칸막이(120) 및/또는 플레이트(140)는 예를 들어 폴리머, 금속화 폴리머, 복합재, 섬유 강화 복합재(예를 들어, 탄소 섬유) 등과 같은 열 전도성 재료를 포함할 수 있다. 제1 칸막이(120)는 플레이트(140)와 동일하거나 상이한 재료일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 칸막이(120) 및 플레이트(140)는 별도의 구성요소이고 함께 결합될 수 있다. 그러나, 대안적인 구현예에서, 제1 칸막이(120) 및 플레이트(140)는 하나의 구성요소로서 일체로 형성된다. 제1 칸막이(120) 및 플레이트(140)는 셀의 기계적 충격을 방지하거나, 제1 및 제2 셀(112, 114)로부터 멀리 에너지를 분배하도록 작동할 수 있다. 예를 들어, 제1 칸막이(120)와 플레이트(140)는 배터리 서브팩(100)의 충격에 기초하여 셀로 전달되는 에너지를 최소화하도록 함께 작동할 수 있다.
추가적으로, 작동 동안에, 플레이트(140)는 제1 방향에 직교하는 방향으로 열을 분배할 수 있다. 예를 들어, 플레이트(140)는 플레이트와 제1 칸막이가 직교하도록 제1 칸막이(120)에 결합될 수 있고, 플레이트는 제1 칸막이로부터 제2 방향으로 열을 전달할 수 있다. 플레이트(140)는 X축, Y축, 또는 X-Y 평면에서의 임의의 방향을 따라 열을 전달할 수 있다.
일부 구현예에서, 플레이트(140) 및/또는 제1 칸막이(120)는 셀(110)의 작동 동안에 원하는 온도를 유지하기 위한 하나 이상의 냉각 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 플레이트(140)는 유체로 충전되도록 구성된 하나 이상의 채널(146)을 한정할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 채널(146)은 셀(110)로부터의 열 전달을 증가시키기 위해 플레이트(140)를 통해 유체를 운반하도록 구성된다. 일부 구현예에서, 채널(146)은 공기, 가스, 물, 탈이온수, 글리콜/물 용액, 유전체 유체(예를 들어, 플루오로카본 또는 폴리알파올레핀(PAO)) 또는 이들의 조합을 이송할 수 있다. 도시된 바와 같이, 채널(146)은 Y축을 따라 연장되지만, 플레이트(140)의 다른 구현예는 X축 또는 X-Y 평면에서의 임의의 다른 방향을 따라 연장되는 채널을 한정할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 칸막이(120)는 복수의 섬유(126)를 포함하고, 이들 각각은 제1 측면(106)으로부터 제2 측면(108)으로(예를 들어, z축을 따라) 연장되도록 배향될 수 있다. 다른 구현예에서, 섬유(126)는 셀(110)로부터 효율적인 열 전달을 제공하기 위해 y축 또는 임의의 다른 배향을 따라 배향될 수 있다. 도시되어 있지는 않지만, 일부 구현예에서, 플레이트(140)는 복수의 섬유(예를 들어, 126)를 포함할 수 있고, 칸막이(120)는 하나 이상의 채널(예를 들어, 146)을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 배터리 서브팩(100)은 펌프(160)를 포함하거나 펌프(160)에 결합될 수 있다. 펌프(160)는 임의의 적합한 양압 또는 음압 소스일 수 있고, 유체가 채널(146)을 통해 유동할 수 있게 하도록 구성된다. 일부 구현예에서, 펌프(160)는 플레이트(140) 및/또는 칸막이(예를 들어, 120)를 통해 유체를 순환시키기 위해 액체 저장소 또는 다른 유체 소스에 결합될 수 있다. 다른 구현예에서, 배터리 서브팩(100)은 펌프를 포함하지 않거나 펌프에 결합되지 않을 수 있다는 점이 주목된다. 예를 들어, 채널(146)은 공기 또는 액체가 온도 변화에 기초하여 폐쇄 시스템 내에서 이동하거나 순환하는 폐쇄 시스템을 한정할 수 있다.
배터리 서브팩(100)은 하나 이상의 셀(110, 112)의 열이 제1 칸막이(120) 및/또는 플레이트(140)에 의해 분배될 수 있게 한다. 이러한 방식 및 다른 방식으로, 제1 칸막이(120) 및 플레이트(140)는 셀(110) 사이의 온도를 조절하고, 배터리 서브팩(100)의 전체 작동 온도를 강하시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 칸막이(120) 및/또는 플레이트(140)는 배터리 서브팩(100)의 제1 측면(106)과 제2 측면(108) 사이의 온도 차이가 배터리 서브팩(100)의 작동 동안에(예를 들어, 제1 및 제2 셀이 2의 C-레이트(C-rate)로 언로딩되는 동안에) 인치당 섭씨 1도를 초과하지 않도록 배열 및 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 칸막이(120) 및/또는 플레이트(140)는 셀의 높이를 따른(예를 들어, 제1 측면(106)과 제2 측면(108) 사이의) 온도 차이가 최대 5의 C-레이트까지의 셀의 작동 동안에 인치당 섭씨 1도를 초과하지 않도록 셀(110)에 의해 생성된 열을 분배할 수 있다.
일부 구현예에서, 복수의 셀은 복수의 셀이 2의 C-레이트로 언로딩되는 동안에 배터리 서브팩의 순간 변화량이 섭씨 4도 이내가 되도록 구성된다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 복수의 셀들의 충전 또는 방전 동안, 배터리 서브팩은 20 내지 40℃ 범위 내에서 작동하도록 구성될 수 있다. 40℃ 초과의 온도에서, 배터리 서브팩은 노화의 가속을 경험할 수 있다. 추가적으로, 70℃ 이상에서는, 열 폭주, 화재, 벤팅(venting) 또는 이들의 조합의 위험이 증가할 수 있다. 20℃ 미만의 온도에서, 배터리 서브팩은 전력 용량의 감소를 경험할 수 있다. 추가적으로, 0℃ 이하에서, 배터리 서브팩은 리튬 도금, 덴드라이트 형성 및 낮은 충전을 경험할 수 있다. 20 내지 40℃ 범위 내에서의 배터리 서브팩 작동 동안, 예컨대 2의 C-레이트인 경우, 배터리 서브팩은 4℃ 이하, 예를 들어 3℃ 이하의 셀간 온도 차이와 같은 온도 차이를 갖도록 구성될 수 있다. 예시를 위해, 동시에 복수의 셀의 최저 온도와 최고 온도의 차이는 4℃ 이하일 수 있다. 다른 구현예에서, 복수의 셀의 충전 또는 방전 동안에, 동시에 복수의 셀의 최저 온도와 최고 온도의 차이는 3 또는 2℃ 이하일 수 있다. 그러한 온도 차이 내에서의 배터리 서브팩의 작동은 배터리 서브팩의 팩 충전 불균형을 감소시키거나 방지할 수 있다.
이제 도 1b를 참조하면, 라인 1B-1B에 대한 배터리 서브팩(100)의 상부 단면도가 도시되어 있다. 일부 구현예에서, 케이스(102)의 수평 단면에서, 셀(110)은 케이스(102) 영역의 대부분(예를 들어, 50% 내지 95%)을 한정할 수 있다. 예를 들어, X-Y 축에 놓인 제1 평면에 대해 취해진 단면에서, 셀(110)은 제1 평면에 대해 취해진 케이스(102)의 단면의 총 면적의 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 50%, 55%, 80%, 85%, 90% 또는 95% 중 어느 하나보다 크거나 실질적으로 동일하거나, 이들 중 임의의 두 수치의 면적을 한정할 수 있다. 그러한 구현예에서, 총 면적의 보다 높은 백분율은 양호한 열 분포를 갖는 조밀하게 패킹된 셀에 대응할 수 있는 반면, 총 면적의 보다 낮은 백분율은 공기 냉각 또는 열을 관리하는 다른 방식을 허용할 수 있다.
도시된 바와 같이, 단일 배터리 서브팩(100)은 외부 디바이스에 전력을 제공하도록 구성되지만; 제공되는 전력을 증가시키기 위해 다수의 서브팩(100)이 연결될 수 있다. 일부 구현예에서, 배터리 서브팩(100)은 원하는 응용의 공간 제한 및/또는 전력 요구사항을 준수하기 위해 하나 이상의 다른 직사각형 배터리 팩(예를 들어, 100)과 적층 가능할 수 있다. 명확화를 위해, 배터리 서브팩(100)의 하나 이상의 다른 구성요소는 본원에 도시되어 있지 않지만, 배터리 서브팩은 회로 기판, 프로세서, 제어기, 배선, 전도체, 저항체, 단자 블록, 및/또는 전극 단자 등을 포함할 수 있다.
배터리 서브팩(100)은 제1 셀(112) 및 제2 셀(114)과 같은 복수의 셀을 포함한다. 배터리 서브팩(100)은 제1 셀(112)과 제2 셀(114) 사이에 위치된 칸막이(120)를 추가로 포함하며, 칸막이(120)는 칸막이(120)의 면내 전도도가 0.1 와트/미터 켈빈 이상 및 100 와트/미터 켈빈 이하(예를 들어, 10 내지 80 와트/미터 켈빈)가 되도록 구성된다. 일부 구현예에서, 칸막이(120)는 제1 평면 및 제1 평면과는 상이한 제2 평면에서 연장된다.
배터리 서브팩(100)의 일부 구현예에서, 제1 셀(112) 및 제2 셀(114)과 같은 복수의 셀은 제1 측면(106)과 제1 측면(106)에 대향하는 제2 측면(108) 사이에 개재될 수 있다. 복수의 셀은 복수의 셀이 2의 C-레이트로 언로딩되는 동안에 제1 측면(106)과 제2 측면(108) 사이의 온도 차이가 인치당 섭씨 1도를 초과하지 않도록 구성될 수 있다.
배터리 서브팩(100)의 일부 구현예에서, 복수의 셀은 직육면체로서 형상화된 제1 셀(112) 및 직육면체로서 형상화된 제2 셀(114)과 같은 복수의 직육면체 셀을 포함할 수 있다. 복수의 직육면체 셀은 수평 단면을 갖는 직육면체를 형성하도록 배열될 수 있다. 일부 구현예에서, 복수의 직육면체 셀(110, 112)은 수평 단면의 적어도 50% 내지 95%를 한정한다.
배터리 서브팩(100)의 다른 구현예에서, 제1 셀(112) 및 제2 셀(114)과 같은 복수의 셀(110)은 제1 측면(106) 및 제1 측면(106)에 대향하는 제2 측면(108)을 포함한다. 배터리 서브팩(100)은 제1 측면(106)과 제2 측면(108) 사이에 위치된 하나 이상의 칸막이(120)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 칸막이(120)는 복수의 셀(110, 112, 114) 중 적어도 하나의 셀의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다. 배터리 서브팩(100)은 또한 복수의 셀(110)의 제2 측면(108)에 배치된 플레이트(140)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 칸막이(120)는 제1 평면 및 제1 평면과는 상이한 제2 평면에서 연장된다.
전술한 구현예에서, 제1 칸막이(120) 및 플레이트(140)는 제1 셀(112) 및 제2 셀(114)로부터 분배된 열을 효율적으로 제거하고 배터리 서브팩(100)에 걸쳐 실질적으로 균일한 온도를 유지하도록 작동한다. 플레이트(140)는 열이 제1 평면 및 제1 평면에 직교하는 제2 평면을 따라 셀(110)로부터 분배될 수 있도록 제1 칸막이(120)에 직교할 수 있다. 이러한 방식 및 다른 방식으로, 배터리 서브팩(100)의 작동 동안에 X, Y 및 Z축을 따라 열이 제거될 수 있다. 일부 구현예에서, 셀(110)(예를 들어, 제1 셀(112) 및 제2 셀(114))은 직육면체로서 형상화되고 행 및 열로 배열되어, 체적 및/또는 추가적인 자중(dead weight)의 손실을 최소화하면서 셀의 조밀 패킹을 가능하게 할 수 있다. 그러한 구현예에서, 제1 칸막이(120) 및 플레이트(140)는 셀로부터 열을 제거하는 효과적인 방식을 제공하면서 셀(110)의 효율적인 패킹을 가능하게 하고 팩-레벨 에너지 밀도를 증가시키기 위해 직사각형 각주체로서 형상화될 수 있다. 따라서, 배터리 서브팩(100)은 셀의 성능을 제한하지 않고 심각한 열 위험의 위험을 최소화하면서 에너지 밀도를 증가시키고 셀(예를 들어, 110)의 온도를 조절할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 복수의 칸막이(예를 들어, 120, 220)를 갖는 배터리 서브팩(200)이 도시되어 있다. 예를 들어, 도 2a는 배터리 서브팩(200)의 사시도를 도시하고, 도 2b는 라인 2B-2B를 따른 배터리 서브팩의 상부 단면도를 도시한다. 배터리 서브팩(200)은 복수의 셀(210), 제1 칸막이(220) 및 제2 칸막이(230)를 포함한다. 배터리 서브팩(200)은 배터리 서브팩(100)과 유사하게 작동할 수 있고, 배터리 서브팩(100)의 하나 이상의 특징부를 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 셀(210)은 제1 셀(212), 제2 셀(214), 제3 셀(216) 및 제4 셀(218)을 포함한다. 각각의 셀에 의해 생성된 전력이 하나의 외부 디바이스로 전달될 수 있도록 각각의 셀(210)이 함께 결합될 수 있다. 배터리 서브팩(200)에 최대 수의 셀을 제공하기 위해, 셀(210)은 각주형(예를 들어, 직육면체)이고 행 및/또는 열로 배열될 수 있거나, 다른 구성 또는 패턴일 수 있다.
제1 칸막이(220)는 제1 셀(212)과 제2 셀(214) 사이에 위치될 수 있다. 제1 칸막이(220)는 제1 칸막이(120)를 포함하거나 이에 대응할 수 있다. 제1 칸막이(220)는 제1 칸막이 표면(222) 및 제2 칸막이 표면(224)을 포함할 수 있다. 제1 칸막이(220)는 셀(예를 들어, 210) 중 적어도 하나의 단일 측면을 덮을 수 있지만, 다른 구현예에서, 제1 칸막이(220)는 셀 중 적어도 하나의 하나 초과의 측면을 덮을 수 있다(예를 들어, 둘러쌈). 도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 칸막이 표면(222)은 제1 셀(212)과 대면하고, 제2 칸막이 표면(224)은 제1 칸막이 표면의 반대측이고 제2 셀(214)과 대면한다. 일부 구현예에서, 제1 칸막이(220)는 셀(210)의 전체 열을 따라 연장된다. 그러한 구현예에서, 제1 칸막이 표면(222)은 제1 열(예를 들어, 제1 셀(212) 및 제3 셀(216))과 대면하고, 제2 칸막이 표면(224)은 제2 열(예를 들어, 제2 셀(214) 및 제4 셀(218))과 대면한다.
제2 칸막이(230)는 제1 칸막이(220)에 결합되거나 그와 일체형일 수 있다. 제1 칸막이(220) 및 제2 칸막이(230)는 제1 칸막이가 제1 평면(예를 들어, 제1 수직 평면)에서 연장되고 제2 칸막이가 제1 평면과는 상이한 제2 평면(예를 들어, 제2 수직 평면)에서 연장되도록 서로에 대해 각을 이루어 배치될 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1 칸막이(220) 및 제2 칸막이(230)는 대략 90도의 각도만큼 서로에 대해 각을 이루어 배치되지만, 이 각도는 본원에 설명된 바와 같이 90도보다 크거나 작을 수 있다(예를 들어, 5 내지 85도 또는 95 내지 175도). 일부 구현예에서, 제2 칸막이(230)는 제3 칸막이 표면(232) 및 제3 칸막이 표면의 반대측인 제4 칸막이 표면(234)을 포함한다. 제2 칸막이(230)는 2 개 이상의 인접한 셀(210) 사이에 위치되어 인접한 셀로부터 열을 제거할 수 있다. 일부 구현예에서, 제2 칸막이(230)는 하나 이상의 셀이 제1 및 제2 칸막이 사이에 배치되도록 제1 칸막이(220)와 평행하고 제1 칸막이로부터 이격될 수 있다. 도 2a에 도시된 구현과 같은 다른 구현예에서, 제2 칸막이(230)는 제1 칸막이(220)에 대해 각을 이루어 배치된다. 예를 들어, 제2 칸막이(230)는 제1 칸막이(220)에 직교하여 위치될 수 있다. 일부 구현예에서, 제2 칸막이(230)는 셀(210)의 행을 따라 전체적으로 또는 부분적으로 연장될 수 있다. 예시를 위해, 제3 칸막이 표면(232)은 제1 행(예를 들어, 제1 셀(212) 및 제2 셀(214))과 대면하고, 제4 칸막이 표면(224)은 제2 행(예를 들어, 제3 셀(216) 및 제4 셀(218))과 대면한다. 제1 칸막이(220) 또는 제2 칸막이(230)의 일부는 복수의 셀(210) 중 어느 2 개의 셀 사이에 개재될 수 있다. 이러한 방식으로, 각각의 셀(210)은 칸막이(예를 들어, 220, 230)에 의해 복수의 셀 중 하나의 다른 셀로부터 분리될 수 있다. 4 개의 셀(예를 들어, 210) 및 2 개의 칸막이(예를 들어, 220, 230)만이 도시되어 있지만, 일부 구현예는 5 개 이상의 셀(예를 들어, 210) 및/또는 3 개 이상의 칸막이를 포함한다. 단일 셀, 즉 제1, 제2, 제3 및 제4 셀(212, 214, 216, 218)로서 설명되지만, 각각의 셀은 함께 결합된 복수의 셀(예를 들어, 2 개의 셀, 4 개의 셀 등)을 포함하고, 전술한 것과 유사한 방식으로 작동할 수 있다.
제2 칸막이(230)는 제1 칸막이(220)에 결합(예를 들어, 교차)할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 칸막이(220, 230)는 별도의 개별 구성요소일 수 있거나, 단일의 일체형 구조일 수 있다. 예시를 위해, 제1 칸막이(220) 및 제2 칸막이(230)로서 설명되지만, 제1 및 제2 칸막이가 예를 들어 제1 칸막이 표면(222), 제2 칸막이 표면(224), 제3 칸막이 표면(232) 및 제4 칸막이 표면(234)을 포함하는 단일 칸막이를 형성하도록 협력할 수 있다는 점에 주목해야 한다. 제1 및 제2 칸막이(220, 230)는 셀(210)을 보호하고 셀(210)로부터 멀리 열을 전달하기 위해 하나 이상의 다른 칸막이와 일체로 형성되거나 인터로킹될 수 있다. 다른 구현예에서, 제1 및 제2 칸막이(220, 230)는 서로 접촉하지 않는다.
제1 칸막이(220) 및 제2 칸막이(230) 각각은 플레이트(240) 상에 배치될 수 있다. 플레이트(240)는 플레이트(140)를 포함하거나 이에 대응할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 칸막이(220) 및/또는 제2 칸막이(230)는 플레이트(240)에 직교한다. 예를 들어, 제1 칸막이(220), 제2 칸막이(230) 및 플레이트(240)는 각각 별도의 축을 따라 열을 전달하기 위해 서로 접촉하고 서로 직교한다. 이러한 방식 및 다른 방식으로, 셀(210)의 작동 동안에 생성된 열은 3 개의 개별 평면을 따라 분배되어 배터리 서브팩(200)에 걸쳐 실질적으로 균일한 온도를 유지할 수 있다. 제1 칸막이(220), 제2 칸막이(230) 및/또는 플레이트(240)는 열 분배를 용이하게 하기 위해 유체를 이송하도록 구성된 하나 이상의 채널을 한정하고/하거나 섬유를 포함할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
도 2c, 도 2d 및 도 2e를 참조하면, 배터리 서브팩(200)은 정사각형일 필요는 없고, 임의의 적합한 단면 형상(예를 들어, 삼각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 팔각형, 원형, 타원형 또는 다른 다각형 또는 둥근 형상)을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 2c는 복수의 삼각형 셀(210)을 갖는 배터리 서브팩(200)을 도시하고, 도 2d는 복수의 육각형 셀(210)을 갖는 배터리 서브팩(200)을 도시하며, 도 2e는 복수의 팔각형 셀(210)을 갖는 배터리 서브팩(200)을 도시한다.
셀의 단면 형상은 배터리 서브팩(200)의 특정 응용에 기초하여 선택될 수 있다. 이러한 방식으로, 배터리 서브팩(200)은 종래의 원통형 또는 직사각형 셀보다 조밀하게 팩 셀(210)에 유연성을 제공한다. 도시된 바와 같이, 복수의 칸막이(220)가 각각의 인접한 셀(210) 사이에 위치된다. 일부 구현예에서, 칸막이(220)는 하나 이상의 셀(210)의 둘레부(예를 들어, 단면 둘레부) 주위에, 예컨대 모든 셀(210) 주위에 위치될 수 있다. 칸막이(220)는 다각형 셀이 배치될 수 있는 챔버를 한정하도록 협력한다. 도시된 바와 같이, 협력하는 칸막이(예를 들어, 220)에 의해 한정된 챔버는 셀(210)과 동일한 단면 형상(예를 들어, 도 2c에서 삼각형, 도 2d에서 육각형, 도 2e에서 팔각형)을 가져서 배터리 서브팩(300)이 조밀하게 패킹될 수 있게 한다. 예를 들어, 각각의 칸막이(220)는 셀(210)의 외벽과 실질적으로 평행할 수 있다. 그러한 구현예에서, 열은 셀(210)의 외부 벽에 직교하는 방향으로 분배되어 셀의 열 조절을 증가시킬 수 있다. 그러나, 다른 구현예에서, 챔버는 셀의 단면 형상과는 상이한 단면 형상을 가질 수 있다. 도 2e를 참조하면, 공동(221)은 하나 이상의 칸막이(220)에 의해 한정될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 공동(예를 들어, 221)은 칸막이(220), 용기(240), 하나 이상의 셀(210) 또는 이들의 조합에 의해 한정될 수 있다. 공동(221)은 공기, 가스, 액체, 상변화 재료(phase change material; PCM) 또는 이들의 조합으로 충전될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 공동(221)은 칸막이(220)와 동일한 재료와 같은 재료로 적어도 부분적으로 충전될 수 있고, 재료는 중실형, 메시, 벌집형 또는 다른 구성일 수 있다.
복수의 셀(210) 및 칸막이(220)는 용기(240) 내에 배치될 수 있다. 용기(240)는 직사각형 형상을 갖는 것으로 도시되어 있으며, 용기는 셀(210)과 동일하거나 상이한 단면 형상(예를 들어, 삼각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 팔각형, 원형, 타원형, 또는 다른 다각형 또는 둥근 형상)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 용기(240)는 칸막이(220) 및 셀(210)로부터 열을 분배하기 위해 전도성 재료를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 용기(240) 및/또는 칸막이(220)는 배터리 서브팩(200)에 대한 충격으로부터 에너지를 분배하여 충격으로부터 셀에 대한 손상을 감소시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 셀(210)은 압축 가능할 수 있으며, 그래서 에너지가 셀에 집중되기보다는 용기(240) 및/또는 칸막이(220)로 분배된다. 이것은 배터리 서브팩(200)에서 발생하는 충격으로 인한 열 폭주를 방지할 수 있다.
일부 구현예에서, 칸막이(220)는 몇 개의 개별 인터로킹 구성요소를 포함할 수 있는 반면, 다른 구현예에서, 칸막이는 단일의 일체형 구조를 형성하도록 협력할 수 있다. 일부 구현예에서, 각각의 칸막이(예를 들어, 220)는 다른 칸막이와는 상이한 별도의 수직 평면에 배치된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 칸막이(220)는 용기(240)와 일체로 형성될 수 있다. 그러나, 일부 구현예에서, 칸막이(220) 및 용기(240)는 함께 결합될 수 있는 별도의 구성요소이다.
하나의 배터리 서브팩(예를 들어, 200)만이 도시되어 있다. 그렇지만, 2 개 이상의 배터리 서브팩이 물리적 및/또는 전기적으로 함께 결합되어, 보다 많은 전력을 생성할 수 있는 시스템을 형성할 수 있다. 그러한 구현예에서, 시스템의 각각의 배터리 서브팩(예를 들어, 200)은 다른 배터리 서브팩으로부터 이격될 수 있다. 일부 구현예에서, 배터리 서브팩 중 일부는 칸막이(200)와 동일한 특징부(예를 들어, 재료, 섬유, 및/또는 채널 등) 중 일부를 포함할 수 있는 칸막이에 의해 분리될 수 있다. 배터리 서브팩 사이에 배치된 칸막이는 시스템의 열을 관리하기 위해 상이한 특성(예를 들어, 열 전도도)을 가질 수 있다.
전술한 구현예 중 일부에서, 배터리 서브팩(200)은 제1 셀(212), 제2 셀(214) 및/또는 제3 셀(216)을 포함하는 복수의 셀(210)을 포함한다. 배터리 서브팩(200)은 제1 평면 및 제1 평면과는 상이한 제2 평면에서 연장되는 칸막이를 포함할 수 있으며, 칸막이의 적어도 일부는 제1 셀과 제2 셀 사이에 위치된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 칸막이의 적어도 하나의 다른 부분은 제1 셀과 제3 셀 사이에 위치된다. 일부 구현예에서, 칸막이는 제1 셀(212)과 대면하는 제1 표면(222) 및 제1 표면으로부터 연장되고 제1 셀과 대면하는 제2 표면(232)을 포함하며, 여기서 제1 표면은 제1 셀과 제2 셀(214) 사이에 개재되고, 제2 표면은 제1 셀과 제3 셀(216) 사이에 개재된다. 일부 그러한 구현예에서, 칸막이(220, 230)는 0.1 내지 100 와트/미터 켈빈인 면내 전도도를 포함한다.
일부 구현예에서, 배터리 서브팩(200)은 제1 측면(예를 들어, 106)과 제1 측면에 대향하는 제2 측면(예를 들어, 108) 사이에 개재된 복수의 셀(110), 및 제1 평면 및 제1 평면과는 상이한 제2 평면에서 연장되는 칸막이를 포함할 수 있으며, 칸막이의 적어도 일부는 제1 셀과 제2 셀 사이에 위치된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 칸막이의 적어도 하나의 다른 부분은 제1 셀과 제3 셀 사이에 위치된다. 일부 구현예에서, 칸막이는 제1 셀(212)과 대면하는 제1 표면(222) 및 제1 표면으로부터 연장되고 제1 셀과 대면하는 제2 표면(232)을 포함하며, 여기서 제1 표면은 제1 셀과 제2 셀(214) 사이에 개재되고, 제2 표면은 제1 셀과 제3 셀(216) 사이에 개재된다. 일부 구현예에서, 복수의 셀은 복수의 셀이 2의 C-레이트로 언로딩되는 동안에 제1 측면과 제2 측면 사이의 온도 차이가 인치당 섭씨 1도를 초과하지 않도록 구성된다. 배터리 서브팩(200)은 복수의 셀(110)의 제2 측면(예를 들어, 108)에 배치된 플레이트를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 복수의 셀(310) 및 복수의 칸막이(예를 들어, 320, 330)를 갖는 배터리 서브팩(300)의 사시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 셀(310)은 선형 그리드(예를 들어, 행 및 열)로 배열되고, 칸막이(예를 들어, 320, 330)가 셀 사이에 배치된다. 셀(310)은 음극 단자와 양극 단자를 포함할 수 있으며, 그에 따라 셀로부터 생성된 전류가 외부 디바이스로 지향되거나 배터리 서브팩(300)을 재충전하는 데 사용될 수 있다. 도시되어 있지는 않지만, 각각의 배터리 서브팩(300)은 전자 디바이스에 전력을 제공하도록 하나 이상의 전자 디바이스(예를 들어, 다른 배터리 서브팩)에 (예를 들어, 배선 또는 다른 연결부를 통해) 연결될 수 있다.
도시된 구현예에서, 제1 칸막이(320)는 셀(310)의 각 열 사이에 위치되고, 제2 칸막이(330)는 셀의 2 개의 인접한 행 사이에 위치된다. 일부 구현예에서, 배터리 서브팩(300)은, 예를 들어 셀의 모든 행 사이에 위치된 제2 칸막이와 같이, 셀(310)의 행 사이에 위치된 복수의 제2 칸막이(330)를 포함한다. 일부 그러한 구현예에서, 셀(310)의 일부(예를 들어, 내부 부분)는 제1 및 제2 칸막이(320, 330)에 의해 둘러싸여 있다. 일부 구현예에서, 각각의 칸막이(예를 들어, 320, 330)는 다른 칸막이와는 상이한 평면에 배치될 수 있다. 각각의 셀(310)은 배터리의 작동 동안에 열의 제거를 용이하게 하기 위해 칸막이(예를 들어, 320, 330)로부터, 예컨대 0 내지 3 ㎝ 이내로, 이격되거나 그와 접촉할 수 있다. 보다 큰 셀 밀도를 위해, 셀 사이의 거리는 1 ㎝ 이하일 수 있다. 일부 구현예에서, 적어도 하나의 셀(최대 모든 셀을 포함함)(310)은 칸막이(320, 330)에 의해 완전히 둘러싸일 수 있다. 예를 들어, 칸막이(320, 330)는 셀이 내부에 배치될 수 있는 챔버를 한정하도록 협력할 수 있다. 일부 그러한 구현예에서, 복수의 셀(310)은 함께 결합되고 칸막이(320, 330)에 의해 한정된 챔버 내에 배치될 수 있다. 협력하는 칸막이에 의해 한정된 챔버는 셀(310)과 동일한 단면 형상(예를 들어, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 육각형, 팔각형, 원형, 타원형 또는 다른 다각형 또는 둥근 형상)을 가져서 배터리 서브팩(300)이 조밀하게 패킹될 수 있게 할 수 있다.
셀(310) 및 칸막이(예를 들어, 320, 330) 각각은 배터리 서브팩(300)의 베이스를 한정하는 플레이트(340)에 결합될 수 있다. 일부 구현예에서, 플레이트(340), 제1 칸막이(320) 및 제2 칸막이(330)는 서로 직교하여 배열된다. 제1 칸막이(320), 제2 칸막이(330) 및/또는 플레이트(340)는 일체형일 수 있거나, 함께 결합될 수 있는 별도의 구성요소일 수 있다. 본원에 도시된 바와 같이, 플레이트(340)는 플레이트를 통해 유체를 이송하도록 구성된 복수의 채널(346)을 한정한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 및/또는 제2 칸막이(320, 330)는 칸막이를 통해 유체를 이송하도록 구성된 하나 이상의 채널(336)을 한정할 수 있다. 도시된 바와 같이, 채널(336)은 수직으로 연장되지만, 다른 구현예에서, 제1 및/또는 제2 칸막이(320, 330)에 의해 한정된 채널은 칸막이를 따라 수평으로 연장될 수 있다. 명확화를 위해, 단일 채널(336)만이 도시되어 있지만, 다른 구현예에서, 제1 및/또는 제2 칸막이(320, 330)는 배터리 서브팩(300)을 냉각하기 위한 복수의 채널(예를 들어, 336)을 한정할 수 있다. 유체는 지속적으로 또는 간헐적으로 채널(예를 들어, 336, 346)을 통해 이송될 수 있거나, 전혀 이송되지 않을 수 있다.
배터리 서브팩(300)은 챔버(306)를 한정하는 케이스(302)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 플레이트(340)는 챔버(306)를 한정하도록 케이스(302)와 협력한다. 각각의 셀(310) 및 칸막이(예를 들어, 320, 330)는 배터리 서브팩의 일부 작동을 위해 챔버(306) 내에 배치될 수 있다. 일부 구현예에서, 케이스(302)는 복수의 셀(310)의 일부를 완전히 둘러싸도록 제1 칸막이(320) 및 제2 칸막이(330)와 함께 배열될 수 있다. 일부 구현예에서, 케이스(302)는 배터리 서브팩(300)으로부터의 열 제거를 용이하게 하기 위해 열 전도성 재료를 포함할 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 배터리 서브팩(400)에 사용될 수 있는 셀(402)의 예시적인 도면이 도시되어 있다. 예를 들어, 도 4a는 셀(402)의 측면도를 도시하고, 도 4b는 셀의 상부 단면도를 도시한다. 배터리 서브팩(400) 및 셀(402)은 각각 배터리 서브팩(100, 200, 300) 및 셀(110, 112, 114, 210, 212, 214, 310)에 대응할 수 있다.
셀(402)은 복수의 전원 유닛(410), 제1 버스바(440) 및/또는 제2 버스바(450)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 각각의 전원 유닛(예를 들어, 410) 및/또는 버스바(440, 450)는 셀(402)의 안전한 취급을 허용하도록 용기(460) 내에 배치될 수 있다. 셀(402)은 전자 디바이스에 전력을 제공하도록 하나 이상의 전자 디바이스(도시되지 않음)에 (예를 들어, 배선 또는 다른 연결부를 통해) 연결되도록 구성된 하나 이상의 전기 연결부(404)(예를 들어, 단자)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 전기 연결부(404)는 한 쌍의 전극 단자를 포함하며, 전극 단자는 디바이스가 단자에 결합될 때 디바이스에 전류를 제공하도록 구성된다. 일부 구현예에서, 도 4a를 참조하면, 전기 연결부(404)는 음극 단자 및 양극 단자에 대응한다. 셀(402)은 다수 회 방전 및 재충전될 수 있는 재충전 가능한 또는 이차 셀일 수 있다. 예시적이고 비제한적인 예에서, 셀(402)은 납산 배터리, 니켈-카드뮴(NiCd) 배터리, 니켈-금속 수소화물(NiMH) 배터리, 리튬-이온(Li-이온) 배터리, 및/또는 리튬-이온 폴리머 배터리 등일 수 있다.
도시된 바와 같이, 각각의 전원 유닛(410)은 제1 활성 재료(412), 제2 활성 재료(414), 및 제1 활성 재료와 제2 활성 재료 사이에 배치된 분리막(416)을 포함한다. 분리막(416)은 충전 또는 방전 작동 동안에 전원 유닛에 대한 손상을 방지하도록 구성될 수 있다. 도시된 구현예에서, 각각의 전원 유닛(410)은 제1 활성 재료(412)에 결합된 제1 커넥터(420)를 포함하는 제1 전극 및 제2 활성 재료(414)에 결합된 제2 커넥터(430)를 포함하는 제2 전극을 포함한다. 일부 구현예에서, 각각의 전원 유닛(410)은 전원 유닛이 스택을 형성하도록 하나의 다른 전원 유닛과 (예를 들어, 도 4b에 도시된 바와 같이 수평면에서) 정렬될 수 있다. 예를 들어, 각각의 전원 유닛(410)은 각주형일 수 있고(예를 들어, 직사각형 단면을 포함함), 다수의 전원 유닛이 작은 공간(예를 들어, 462) 내에 위치될 수 있게 하도록 하나의 다른 전원 유닛에 인접하게 배치될 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 셀(402)은 스택에 배치된 4 개의 전원 유닛(410)을 포함하지만; 다른 구현예에서, 셀(402)은 4 개 미만의 전원 유닛 또는 4 개 초과의 전원 유닛을 포함할 수 있다.
제1 전극(예를 들어, 제1 활성 재료(412) 및 제1 커넥터(420))과 제2 전극(예를 들어, 제2 활성 재료(414) 및 제2 커넥터(430))은 상호작용하여, 전기적 및/또는 화학적 반응을 유발하여 전력을 생성할 수 있다. 본원에 도시된 바와 같이, 제1 전극은 양극 단자에 대응하고, 제2 전극은 음극 단자에 대응하지만; 다른 구현예에서, 제1 전극은 음극 단자에 대응하고, 제2 전극은 양극 단자에 대응할 수 있다. 재충전 가능한 전원 유닛에서, 제1 전극은 셀(402)의 상태에 기초하여 캐소드와 애노드 사이에서 교번할 수 있다. 예를 들어, 양극 활성 재료(예를 들어, 412)는 방전 상태에서 캐소드이고 충전 상태에서 애노드이다. 제1 및 제2 활성 재료(412, 414)는 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있다. 예시적이고 비제한적인 예에서, 제1 활성 재료(412)는 전이 금속 산화물(예를 들어, 리튬 코발트 산화물, 리튬 인산철, 및/또는 리튬 망간 산화물 등)을 포함할 수 있고, 제2 활성 재료(414)는 탄소 또는 실리콘 재료(예를 들어, 흑연, 경질 탄소, 및/또는 실리콘 탄소 복합재 등)를 포함할 수 있다.
분리막(416)은 특정 입자가 제1 전극과 제2 전극 사이에서 분리막을 통해 이동하는 것을 방지하기 위해 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치된다. 일부 구현예에서, 분리막(416)은 전해질을 포함한다. 예를 들어, 분리막(416)은 유기 용매 중의 리튬 염, 수계 전해질, 유기 카보네이트의 혼합물(예를 들어, 에틸렌 카보네이트 또는 디에틸 카보네이트), 수성 전해질, 복합 전해질, 및/또는 고체 세라믹 전해질 등을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 분리막(416)은 (도 5b에 도시된 바와 같이) 각각의 전원 유닛의 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 단일 본체를 포함할 수 있는 반면, 다른 구현예에서, 분리막(416)은 (도 4b에 도시된 바와 같이) 전원 유닛의 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치된 몇 개의 개별 분리막을 포함할 수 있다.
커넥터(예를 들어, 420, 430)는 활성 재료(412, 414)로부터 셀(402)의 하나 이상의 다른 구성요소로 전류를 이송하도록 구성된다. 예를 들어, 전원 유닛으로부터 생성된 전력을 분배하기 위해, 전원 유닛(410)의 제1 활성 재료(412)에는 제1 커넥터(420)(예를 들어, 제1 집전체)가 결합될 수 있고, 하나의 전원 유닛(410)의 제2 활성 재료(414)에는 제2 커넥터(430)(예를 들어, 제2 집전체)가 결합될 수 있다. 일부 구현예에서, 각각의 전원 유닛(410)은 보다 높은 에너지 출력을 달성하기 위해 단일 공급원(예를 들어, 단자 중 하나)에서 복수의 전원 유닛(예를 들어, 410)의 출력을 조합하도록 전원 유닛에 결합된 제1 커넥터(420) 및 제2 커넥터(430)를 포함한다. 예시를 위해, 전원 유닛(예를 들어, 410) 사이에 전류에 대한 저저항 경로를 제공하고 제1 및 제2 버스바를 통해 열을 제거함으로써 셀(402)의 작동 온도를 강하시키기 위해, 제1 커넥터(420)는 각각의 제1 활성 재료(412)를 제1 버스바(440)에 결합할 수 있고, 제2 커넥터(430)는 각각의 제2 활성 재료(414)를 제2 버스바(450)에 결합할 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 커넥터(420)는 제1 활성 재료(412)로부터 제1 버스바(440)까지 연장되어 제1 활성 재료를 제1 버스바에 연결하고, 제2 커넥터(430)는 제2 활성 재료(414)로부터 제2 버스바(450)까지 연장되어 제2 활성 재료를 제2 버스바에 연결한다. 다른 구현예에서, 제1 커넥터(420) 또는 제2 커넥터(430)는 (예를 들어, 전기 연결부(404)에서) 셀(402)의 하나 이상의 다른 구성요소에 결합될 수 있다.
제1 버스바(440) 및 제2 버스바(450)는 복수의 전원 유닛(410)에 인접하게 위치된다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 각각의 버스바(예를 들어, 440, 450)는 전류가 전원 유닛으로부터 버스바로 흐를 수 있게 하도록 복수의 전원 유닛(예를 들어, 410) 중 하나 이상에 결합된다. 예를 들어, 제1 버스바(440)는 복수의 전원 유닛 중 전원 유닛(410)의 일부(최대 모두를 포함함)에 결합되거나 접촉하는 제1 커넥터(420)에 결합되거나 접촉할 수 있다. 제1 버스바(440) 및 제1 커넥터(420)의 그러한 구성은 제1 버스바가 전원 유닛으로부터 열을 제거하고 전류를 이송할 수 있게 한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 버스바(450)는 제1 버스바(440)와 실질적으로 평행하고, 하나 이상의 제2 커넥터(430)에 결합될 수 있다. 제2 버스바(450) 및 제2 커넥터(430)의 그러한 구성은 전원 유닛으로부터의 열의 보다 효율적인 제거를 허용할 수 있다. 이와 같이, 버스바(예를 들어, 440, 450)는 알루미늄, 금, 구리, 은, 텅스텐, 아연, 탄소(예를 들어, 흑연), 및/또는 이들의 합금 등과 같은 적합한 높은 열 전도성 재료를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 커넥터(예를 들어, 420)는 전기화학적 적합성을 보장하기 위해 버스바(예를 들어, 440)와 동일한 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 버스바(440) 및 제1 커넥터(420)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있고, 제2 버스바(450) 및 제2 커넥터(430)는 구리 또는 구리 합금을 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 제1 버스바(440)는 제1 커넥터(420) 및/또는 전원 유닛(예를 들어, 410)에 실질적으로 수직으로 위치될 수 있다. 제1 버스바(440)는 셀(402)의 수평면을 따라 증가된 열 전도도를 제공하기 위해 전원 유닛(예를 들어, 410)의 스택의 적어도 일부(예를 들어, 적어도 25%)에 걸쳐 있는 본체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 버스바(440)는 셀(402)의 두께(예를 들어, D2)의 적어도 25%에 걸쳐 있을 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 버스바(440)는 셀(402)의 길이(예를 들어, D3)의 적어도 25%에 걸쳐 있을 수 있다. 제1 버스바(440)는 일체형 본체, 또는 함께 결합되고 집합적으로 스택의 일부에 걸쳐 있는 2 개 이상의 개별 세그먼트를 포함할 수 있다. 이러한 방식 및 다른 방식으로, 제1 버스바(440)는 열점으로부터 열을 효율적으로 제거함으로써 셀(402)의 온도 조절을 가능하게 하여, 이에 의해 셀(402)의 전원 유닛을 거의 균일한 온도로 유지할 수 있다. 그러한 열 조절은 셀(402)이 온도 관련 이벤트의 위험이 없는(또는 위험이 감소된) 두꺼운 고용량 셀을 포함할 수 있게 할 수 있다. 제2 버스바(450)는 제1 버스바(440)와 유사하게 위치될 수 있다. 예를 들어, 제2 버스바(450)는 제1 버스바(440)와 동일한 평면을 따라 열을 제거하기 위해 제1 버스바(440)와 실질적으로 평행할 수 있다. 셀(402)이 2 개의 버스바(예를 들어, 440, 450)를 포함하는 것으로 설명되지만; 다른 구현예에서, 셀(402)은 단일 버스바 또는 2 개 초과의 버스바를 포함할 수 있다.
용기(460)는 공동(462)을 한정하고, 제1 측면(464)(예를 들어, 제1 벽) 및 제2 측면(466)(예를 들어, 제2 벽)을 포함한다. 제1 측면(464)은 제1 측면과 제2 측면이 협력하여 공동(462)의 적어도 일부를 한정하도록 제2 측면(466)에 대향하여 있을 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 용기(460)는 직선을 따라 제1 측면(464)과 제2 측면(466) 사이에서 측정된 폭(D1)을 갖는다. 용기(460)는 또한 폭(D1)에 직교하고 직선을 따라 용기(460)의 대향 측면들 사이에서 측정된 두께(D2)를 갖는다. 용기(460)는 직선을 따라 용기의 상부와 하부 사이에서 측정된 길이(D3)를 갖는다. 도시된 구현예에서, 폭(D1) 및 두께(D2)는 수평면에서 측정되고, 길이(D3)는 수직면에서 측정된다. 용기(460)는 강성, 반강성 또는 가요성 재료를 포함할 수 있고, 셀(402)의 원하는 응용에 기초하여 임의의 적합한 방식(예를 들어, 원통형, 각주형 등)으로 형상화될 수 있다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 구현예에서, 용기(460)는 소형의 고전력 배터리가 요구되는 응용에서 셀(402)이 이용될 수 있게 할 수 있는 직사각형 각주체에 대응한다.
전원 유닛(410), 버스바(예를 들어, 440, 450), 및 셀(402)의 다른 구성요소는 공동(462) 내에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 용기(460)는 셀(402)의 취급에서 발생할 수 있는 전기적 사고 또는 손상을 방지하기 위해 전원 유닛(410) 및 버스바(예를 들어, 440, 450) 주위에 절연성 보호 케이싱을 제공할 수 있다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 공동(462) 내에 배치된 전원 유닛(410)은 용기(460)의 두께(D2)와 평행한 축을 따라 적층될 수 있다. 버스바(예를 들어, 440, 450)는 전원 유닛(예를 들어, 410)의 스택과 용기(460)의 측면(예를 들어, 464, 466) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 버스바(440)는 제1 측면(464)과 전원 유닛(410)의 스택 사이에 개재될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 버스바(450)는 제2 측면(466)과 전원 유닛(410)의 스택 사이에 개재될 수 있다.
제1 및 제2 버스바(440, 450) 각각은 용기(460) 내에 완전히 배치될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 버스바(440)는 제1 측면(464)에 결합되거나 인접하게 배치될 수 있다. 일부 그러한 구현예에서, 제1 버스바(440)는 용기(460)의 두께(D2)의 적어도 25%에 걸쳐 있다. 예를 들어, 제1 버스바(440)의 폭(D4)은 제1 측면(464)에서 두께(D2)의 25% 이상일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 버스바(440)의 길이(D5)는 용기(460)의 길이(D3)의 적어도 25%에 걸쳐 있으며, 길이(D5)는 제1 버스바의 폭(D4)에 수직으로 측정된다. 예를 들어, 제1 버스바(440)의 길이(D5)는 용기(460)의 길이(D3)의 25% 이상일 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 버스바(440)는 제1 측면(464)에서 용기(460)의 두께(D2) 및 길이(D3) 각각의 적어도 대부분에 걸쳐 있다. 제2 버스바(450)는 제2 측면(466)에 결합되거나 인접하게 배치될 수 있고, 제2 측면(466)에서 용기(460)의 두께(D2) 및/또는 길이(D3)의 적어도 25%(예를 들어, 25% 내지 100%)에 걸쳐 있을 수 있다. 본원에서는 도시되지 않았으나, 셀(402)은 용기(460)의 제3 측면과 제4 측면 사이에 각각 배치된 제3 버스바 및/또는 제4 버스바를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 복수의 전원 유닛(410), 제1 버스바(440) 및 제2 버스바(450)는 공동(462) 내에 배치된다. 예를 들어, 제1 버스바(440)는 제1 집전체(예를 들어, 420)와 용기(460)의 제1 측면(464) 사이에 개재된다. 일부 구현예에서, 제2 버스바(450)는 제2 집전체(예를 들어, 430)와 용기(460)의 제2 측면(466) 사이에 개재된다. 일부 구현예에서, 제1 버스바(440)는 복수의 전원 유닛(410)의 각각의 제1 전극(예를 들어, 412, 420)과 접촉한다. 제1 전극(예를 들어, 412, 420) 중 적어도 하나는 제1 집전체(예를 들어, 420) 및 활성 재료(예를 들어, 412)를 포함한다. 일부 구현예에서, 제2 전극(예를 들어, 414, 430)은 제2 버스바(450)에 결합된 제2 집전체(예를 들어, 430)를 포함할 수 있다. 제1 집전체(예를 들어, 420) 및 제1 버스바(440)는 각각 제1 재료를 포함할 수 있고, 제2 집전체(예를 들어, 430) 및 제2 버스바(450)는 각각 제2 재료를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 재료는 동일하거나 상이한 재료일 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 버스바(440)는 제1 벽(예를 들어, 464)의 25% 이상인 영역에 걸쳐 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 버스바(450)는 제2 벽(예를 들어, 466)의 25% 이상인 영역에 걸쳐 있다.
전술한 구현예에서, 제1 버스바(440)는 전원 유닛(410)으로부터 열을 효율적으로 제거하고 각각의 전원 유닛에 걸쳐 실질적으로 균일한 온도를 유지하도록 작동할 수 있다. 예를 들어, 제1 버스바(440)는 용기(460)의 길이(D3)와 평행한 제1 평면을 따라 그리고 용기의 두께(D2)와 평행한 제2 평면을 따라 각각의 전원 유닛(410)으로부터 멀리 열을 제거하도록 제1 전극(예를 들어, 제1 활성 재료 및 제1 커넥터)에 결합될 수 있다. 이러한 방식 및 다른 방식으로, 열이 전원 유닛으로부터 분배되어 셀(402)의 작동 온도를 강하시킬 수 있다. 추가적으로, 제1 버스바(440)는 용기(460)의 외부를 향해 열을 분배하도록 제1 측면(464)(예를 들어, 제1 벽)에 인접하게 위치될 수 있다. 그러한 구현예는 제1 버스바(440)의 표면적으로 인한 전원 유닛(410)으로부터의 보다 효율적인 열 전달, 히트 싱크(예를 들어, 제1 버스바)에 대한 외부 냉각 구성요소의 보다 용이한 접근, 및 본원에 설명된 다른 방식을 가능하게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 버스바(440) 및 제2 버스바(450)는 셀(402)로부터 열을 제거하도록 칸막이(예를 들어, 120, 220, 230, 320, 330)와 상호작용할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 버스바(440) 및/또는 제2 버스바(450)는 셀의 작동 동안의 열의 제거를 용이하기 위해 칸막이(예를 들어, 120, 220, 230, 320, 330)의 50 내지 500 미크론, 예컨대 100 내지 300 미크론 내에 있을 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 배터리 서브팩(500)의 셀(502)의 일 예가 도시되어 있다. 예시를 위해, 도 5a는 셀(502)의 사시도를 도시하고, 도 5b는 평면(5B)을 따라 취해진 셀(502)의 상부 단면도를 도시한다. 배터리 서브팩(500) 및 셀(502)은 각각 배터리 서브팩(100, 200, 300, 400) 및 셀(110, 112, 114, 210, 212, 214, 310, 402)에 대응할 수 있다. 예를 들어, 셀(502)은 용기(560) 내에 배치된 복수의 전원 유닛(510), 제1 버스바(540) 및 제2 버스바(550)를 포함한다. 전원 유닛(510), 제1 버스바(540), 제2 버스바(550) 및 용기(560)는 각각 전원 유닛(410), 제1 버스바(440), 제2 버스바(450) 및 용기(460)를 포함하거나 이들에 대응할 수 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 용기(560)는 하나 이상의 벽(561), 제1 측면(564) 및 제1 측면에 대향하는 제2 측면(566)을 포함한다. 벽(561)은 셀(502)의 구성요소가 저장될 수 있는 공동(562)을 한정하도록 협력한다. 일부 구현예에서, 제1 측면(564) 및 제2 측면(566)은 각각 하나 이상의 벽(561) 중 제1 벽 및 제2 벽에 대응한다. 도시된 구현예에서, 용기(560)는 각주형(예를 들어, 직육면체)이고, 4 개의 벽(예를 들어, 561)을 포함하지만, 다른 구현예에서, 용기(560)는 셀(502)의 응용에 기초하여 크기설정 및 형상화될 수 있다. 예를 들어, 용기(560)의 단면은 직사각형(도 5b의 구현예에 도시됨), 삼각형 또는 다른 다각형(날카로운 모서리 및/또는 둥근 모서리를 갖는 것에 관계없음), 원형, 타원형 또는 다른 둥근 형상일 수 있거나, 불규칙한 형상을 가질 수 있다.
예시로서, 셀(502)은 도 5a에 도시된 바와 같이 오른손 좌표계를 참조하여 설명될 수 있으며, 여기서 x축은 페이지의 좌우 방향에 대응하고, Z축은 페이지의 상하 방향에 대응하며, Y축은 페이지 내로 직교하여 진행하는 축에 대응한다. 용기(560)는 폭(D1), 두께(D2) 및 길이(D3)를 가지며, 이들 각각은 용기(560)의 대향 측면(예를 들어, 벽)으로부터 직선을 따라 측정될 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 폭(D1)은 x축을 따라 측정되고, 두께(D2)는 y축을 따라 측정되며, 길이(D3)는 z축을 따라 측정된다. 도시된 구현예에서, 두께(D2)는 폭(D1)보다 클 수 있지만(예를 들어, 10% 더 클 수 있음), 다른 구현예에서, 폭(D1)은 두께(D2)와 실질적으로 동일할 수 있으며, 또 다른 구현예에서, 폭(D1)은 두께(D2)보다 클 수 있다.
도 5b는 평면(5B)에 대해 취해진 셀(502)의 상부 단면도를 도시하며, x축이 페이지의 좌우 방향에 대응하고 y축이 페이지의 상하 방향에 대응하도록 오른손 좌표계가 회전되어 있다. 도시된 바와 같이, Z축은 페이지 내외로 연장되므로 도시되어 있지 않다. 각각의 전원 유닛(예를 들어, 510)은 제1 활성 재료(512), 제2 활성 재료(514), 분리막(516), 제1 커넥터(520)(예를 들어, 제1 집전체) 및 제2 커넥터(530)(예를 들어, 제2 집전체)를 포함한다. 제1 활성 재료(512), 제2 활성 재료(514), 및 분리막(516)의 적어도 일부는 각각의 전원 유닛의 제1 커넥터(520)와 제2 커넥터(530) 사이에 배치되고, 분리막은 제1 활성 재료(512)와 제2 활성 재료(514) 사이에 개재되어, 입자가 제1 활성 재료와 제2 활성 재료 사이에서 이동하는 것을 선택적으로 허용한다. 제1 활성 재료(512)가 제1 커넥터(520)에 결합되고 제2 활성 재료(514)가 제2 커넥터(530)에 결합되어, 셀(502)을 통해 하나의 커넥터로부터 다른 커넥터로 흐르는 전류를 생성한다. 예시를 위해, 제1 활성 재료(512) 및 제2 활성 재료(514)는 전자가 재료 사이에 흐를 수 있게 하는 재료(예를 들어, 비제한적인 예로서 전이 금속 산화물 및 탄소)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 전원 유닛(510)은 전원 유닛의 체적을 감소시키고 셀(502)이 보다 콤팩트하게 될 수 있도록 구성요소를 공유할 수 있다. 예를 들어, 단일의 제1 커넥터(예를 들어, 520)가 2 개의 인접한 전원 유닛을 위한 제1 커넥터로서 이용될 수 있다. 그러한 구현예에서, 제1 커넥터(예를 들어, 520)는 제1 활성 재료(예를 들어, 512)의 2 개의 층 사이에 개재된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 분리막(516)은 분리막의 일부가 각각의 전원 유닛의 제1 활성 재료(512)와 제2 활성 재료(514) 사이에 배치되도록 각각의 전원 유닛(510)을 통해 연장되는 일체형 본체를 포함할 수 있다.
제1 커넥터(520)는 본체(522)(예를 들어, 제1 부분) 및 탭(524)(예를 들어, 제2 부분)을 포함할 수 있다. 본체(522)는 전원 유닛(510)이 충전 및 방전될 때 전하를 수집하도록 제1 활성 재료(512)에 결합된다(예를 들어, 접촉함). 예시를 위해, 본체(522)는 제1 활성 재료(512)와 평행한 방향으로 연장될 수 있고, 일부 구현예에서, 본체는 대략 제1 활성 재료(512) 전체에 걸쳐 있을(전체를 덮을) 수 있다(예를 들어, 본체의 표면적이 제1 활성 재료의 표면적보다 큼). 도시된 바와 같이, 본체(522)의 적어도 일부는 활성 재료(예를 들어, 512, 514)의 일 단부를 지나서 연장된다. 이러한 방식 및 다른 방식으로, 제1 커넥터(520)는 셀(502)의 사용 동안에 정상 작동 온도를 유지하기 위해 전원 유닛(510)으로부터 열을 멀리 전달할 수 있다.
탭(524)은 본체(522)로부터 멀리 연장된다. 예시를 위해, 탭(524)은 본체(522)에 수집된 전류를 셀(502)의 하나 이상의 다른 구성요소로 지향시키기 위해 본체(522)에 대해 각을 이루어(예를 들어, 수직으로) 배치될 수 있다. 예를 들어, 각각의 제1 커넥터(520)의 탭(524)은 제1 버스바(540)와 접촉하여 각각의 전원 유닛(510)으로부터 생성된 전류를 제1 버스바로 전달할 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 버스바(540)는 전도를 통해 탭(524)으로부터 열을 분배할 수 있다. 예를 들어, 탭(524)을 제1 버스바(540)에 연결하는 것은 전원 유닛(510)에 의해 생성된 열이 제1 커넥터(520)로부터 제1 버스바로 전도에 의해 분배될 수 있게 한다. 탭(524)과 제1 버스바(540)의 그러한 위치설정 및 결합은 전통적인 배터리와 비교하여 X축을 따라(본체(522)를 따라) 그리고 Y축을 따라(탭(524) 및 제1 버스바(540)를 따라) 열이 더 쉽게 전달될 수 있게 할 수 있다. 이러한 방식 및 다른 방식으로, 각각의 전원 유닛(510)에서 생성된 열은 보다 균일하게 분배될 수 있고, 셀 내에서 발생할 수 있는 열점을 최소화할 수 있다. 일부 구현예에서, 탭(524)은 제1 버스바(540)와 평행한 방향(예를 들어, 제1 버스바(540)의 폭(D4)과 평행한 방향)으로 연장되어 제1 버스바와의 보다 큰 접촉 표면을 달성할 수 있다. 예시적이고 비제한적인 예에서, 탭(524)은 집합적으로 제1 버스바의 폭(D4)의 25% 이상인 제1 버스바(540)의 거리에 걸쳐 있을 수 있다.
제2 커넥터(530)는 제1 커넥터(520)와 유사한 하나 이상의 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 커넥터(530)는 본체(532)(예를 들어, 제1 부분) 및 본체(532)로부터 멀리 연장되는 탭(534)(예를 들어, 제2 부분)을 포함한다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 본체(532)는 제2 활성 재료(514)와 접촉하고 탭(534)은 제2 버스바(550)와 접촉하여, 전원 유닛(510)에 의해 생성된 전류를 제2 버스바에 분배한다. 일부 구현예에서, 본체(532) 및 탭(534)은 각각 활성 재료(514) 및 제2 버스바(550)와 실질적으로 평행할 수 있다. 예시적이고 비제한적인 예에서, 탭(534)은 집합적으로 제2 버스바의 폭(예를 들어, D4)의 25% 이상인 제2 버스바(550)의 거리에 걸쳐 있을 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 커넥터(530)의 본체(532)는 제1 커넥터(520)의 본체(522)와 실질적으로 평행할 수 있다. 마찬가지로, 제2 커넥터(530)의 탭(534)은 제1 커넥터(520)의 탭(524)과 실질적으로 평행할 수 있다. 이러한 방식 및 다른 방식으로, 제2 커넥터(530)는 셀(502)의 사용 동안에 정상 작동 온도를 유지하도록 X축으로(본체(532)를 따라) 그리고 Y축으로(탭(534) 및 제2 버스바(550)를 따라) 열 전달을 증가시키기 위해 전도를 통해 전원 유닛(510)으로부터 제2 버스바(550)로 열을 전달할 수 있다. 일부 구현예에서, 탭(534 및/또는 524)은 탭, 버스바 및/또는 칸막이 사이의 열 전달의 표면적을 증가시키기 위해 칸막이(예를 들어, 120, 220, 230, 320, 330)와 평행할 수 있다. 일부 구현예에서, 탭(534 및/또는 524)은 셀의 작동 동안의 열의 제거를 용이하게 하기 위해 칸막이(예를 들어, 120, 220, 230, 320, 330)의 50 내지 500 미크론, 예컨대 100 내지 300 미크론 내에 있을 수 있다.
제1 커넥터(520)(예를 들어, 본체(522) 및 탭(524)) 및/또는 제2 커넥터(530)(예를 들어, 본체(532) 및 탭(534))는, 전원 유닛(510)으로부터 멀리 전류를 전도하고 열을 전달하기 위해, 알루미늄, 금 구리, 은, 텅스텐, 아연, 탄소(예를 들어, 흑연), 및/또는 이들의 합금 등과 같은 열 전도성 재료를 포함할 수 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 커넥터(520) 및 제2 커넥터(530)는 일체형 부재일 수 있다. 일부 다른 구현예에서, 제1 커넥터(520), 제2 커넥터(530) 또는 둘 모두는 함께 결합된 하나 이상의 개별 구성요소를 포함할 수 있다.
제1 버스바(540) 및 제2 버스바(550)는 용기(560)의 대향 측면에 배치된다. 제1 버스바(540)는 제1 측면(564)에 인접하게 위치된다. 예를 들어, 제1 버스바(540)는 제1 측면(564)과 접촉할 수 있거나, 다른 구현예에서, 하나 이상의 갭이 제1 버스바와 제1 측면(564) 사이에 형성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 버스바(550)는 제2 측면(566)에 인접하게 위치된다. 예를 들어, 제2 버스바(550)는 제2 측면(566)과 접촉할 수 있거나, 다른 구현예에서, 하나 이상의 갭이 제2 버스바와 제2 측면(566) 사이에 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 버스바(540)는 제2 버스바(550)와 평행하게 위치될 수 있다.
제1 버스바(540)는 직선을 따라 제1 버스바의 대향 측면으로부터 측정된 폭(D4)을 갖는다. 일부 구현예에서, 제1 버스바(540)는 제1 측면(564)과 실질적으로 평행한 방향으로 연장된다. 예시를 위해, 제1 버스바(540)의 폭(D4)은 제1 측면(564)의 길이와 평행하게 정렬될 수 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 측면(564)의 폭은 용기(560)의 두께(D2)에 대응한다. 일부 구현예에서, 제1 버스바(540)의 폭(D4)은 제1 측면(564)의 적어도 25%에 걸쳐 있다. 예를 들어, 제1 버스바(540)의 폭(D4)은 용기(560)의 제1 측면(564)의 폭(예를 들어, 두께(D2))의 25% 이상일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 버스바(540)의 길이(예를 들어, D5)는 용기(560)의 제1 측면(564)의 길이(예를 들어, D3)의 25% 이상일 수 있다. 이러한 방식 및 다른 방식으로, 제1 버스바(540)는 Z축 및 Y축을 따라 셀(502)의 열 전달을 증가시킬 수 있다.
제1 버스바(540)는 열 전도성 재료를 포함한다. 예를 들어, 제1 버스바(540)는 알루미늄, 금, 구리, 은, 텅스텐, 아연, 탄소(예를 들어, 흑연), 및/또는 이들의 합금 등을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 버스바(540) 및 제1 커넥터(520)는 2 개의 구성요소 사이의 전기화학적 적합성을 보장하기 위해 동일한 재료(예를 들어, 구리)를 포함한다. 간결화를 위해, 제2 버스바(550)에 대한 논의는 생략되지만; 제2 버스바(550) 및 제2 커넥터(530)는 제1 버스바(540) 및 제1 커넥터(520)와 유사하게 기능할 수 있고 하나 이상의 구조적 유사성을 포함할 수 있다는 점이 주목된다.
전술한 구현예에서, 제1 버스바(540) 및 제1 커넥터(520)는 전원 유닛(510)으로부터 열을 효율적으로 제거하고 각각의 전원 유닛에 걸쳐 균일한 온도를 유지하도록 함께 작동할 수 있다. 예를 들어, 제1 커넥터(520)는 본체(522)를 따라(X축으로) 그리고 탭(524)을 따라(Y축으로) 전원 유닛(510)으로부터 멀리 열을 제거할 수 있고, 제1 버스바(540)는 (Y축으로) 열을 추가로 제거할 수 있다. 추가적으로, 제1 커넥터(520) 및 제1 버스바(540) 각각은 Z축을 따라 열을 분배하기 위해 용기(560)의 길이(D3)의 일부에 걸쳐 있다. 이러한 방식 및 다른 방식으로, 제1 버스바(540) 및/또는 제1 커넥터(520)는 셀(502)의 각각의 평면을 따라 열을 분배하여 작동 온도를 강하시킬 수 있다. 이러한 열 조절의 결과로서, 셀(502)은 셀의 작동 온도를 여전히 유지하면서도 보다 많은 전원 유닛(예를 들어, 510)을 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 배터리 서브팩을 작동시키는 방법의 일 예가 도시되어 있다. 방법(600)은 비제한적 예로서 셀(110, 112, 114, 210, 212, 214, 310, 402 및 502)을 포함하는 배터리 서브팩(100, 200, 300, 400 및/또는 500)에 의해 수행될 수 있다.
방법(600)은, 602에서, 케이스 내에 배치된 복수의 셀에 의해 전류를 생성하는 단계를 포함한다. 복수의 셀 및 케이스는 각각 셀(110, 110, 112, 114, 210, 212, 214, 310, 402 및 502) 및 케이스(102, 302)를 포함하거나 이들에 대응할 수 있다. 일부 구현예에서, 방법(600)은 복수의 셀을 충전 또는 방전하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리 서브팩을 작동시키는 것은 복수의 셀로부터 전기 디바이스로 전력을 전달하는 것을 포함할 수 있다.
방법(600)은, 604에서, 하나 이상의 칸막이에 의해 제1 방향으로 열을 분배하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 칸막이는 칸막이(120, 220, 230, 320, 330)를 포함하거나 이에 대응할 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 방향으로 열을 분배하는 단계는 셀의 적어도 일부를 둘러싸도록 구성된 하나 이상의 칸막이에 의해 수행된다. 예를 들어, 하나 이상의 칸막이는 셀의 높이와 평행한 방향 및 셀의 높이에 직교하는 방향으로 셀로부터 열을 전달할 수 있다. 일부 구현예에서, 칸막이 중 적어도 일부는 2 개의 직교 평면을 따른 열의 제거를 용이하게 하도록 서로 직교한다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 칸막이의 복수의 섬유는 섬유의 제1 단부로부터 섬유의 제2 단부로 분배되는 열이 또한 제1 방향으로 분배되도록 배향된다. 추가적으로, 방법(600)은 복수의 셀을 완전히 둘러싸도록 구성된 복수의 칸막이에 의해 열을 분배하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 방법(600)은 채널을 한정하는 칸막이에 의해 열을 분배하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 채널은 액체를 포함할 수 있다.
방법(600)은, 606에서, 플레이트에 의해, 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 열을 분배하는 단계를 추가로 포함한다. 플레이트는 플레이트(140, 240, 340)를 포함하거나 이에 대응할 수 있다. 일부 구현예에서, 제2 방향으로 열을 분배하는 단계는 플레이트에 의해 수행된다. 예를 들어, 플레이트는 플레이트와 하나 이상의 칸막이가 직교하고 플레이트가 하나 이상의 칸막이로부터 제2 방향으로 열을 전달할 수 있도록 하나 이상의 칸막이에 결합될 수 있다. 방법(600)은 채널을 한정하는 플레이트에 의해 열을 분배하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 플레이트는 액체를 포함할 수 있다.
따라서, 배터리 서브팩의 구성은 하나 이상의 셀의 열이 하나 이상의 칸막이 및 플레이트에 의해 분배될 수 있게 한다. 이러한 방식 및 다른 방식으로, 하나 이상의 칸막이 및 플레이트는 셀 사이의 온도를 조절하고 배터리 서브팩의 전체 작동 온도를 강하시킬 수 있다.
실시예
본 개시는 특정 실시예를 통해 보다 상세하게 설명될 것이다. 하기의 실시예는 예시 목적으로만 제공되고, 어떠한 방식으로든 본 개시를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 당업자는 본질적으로 동일한 결과를 생성하도록 변경되거나 수정될 수 있는 다양한 비임계 파라미터를 쉽게 인식할 것이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 5x5 그리드로 배열된 복수의 셀(710)을 갖고 각각의 셀 사이에 제1 칸막이(720) 및 제2 칸막이(730)가 개재된 배터리 서브팩(700)이 도시되어 있다. 칸막이(720, 730)는 플레이트(740)에 결합되고, 각각의 셀은 탭(704)을 포함한다. 배터리의 온도 프로파일 및 열 관리를 결정하기 위해 다양한 방전 속도에서 배터리 서브팩(700)의 작동 동안에 실험적 분석(예를 들어, 열 프로파일 분석)이 수행되었다. 분석은 Ansys Fluent V 19.1을 사용하여 모델링되었다.
하기의 실시예에서, 배터리 서브팩(700)은 90 ㎜의 길이, 90 ㎜의 폭 및 60 ㎜의 높이를 갖는 직육면체로서 크기설정되었다. 셀(710) 및 플레이트(740)는 그에 맞춰서 크기설정되었으며, 각각의 셀은 15 ㎜의 길이, 15 ㎜의 폭 및 60 ㎜의 높이를 갖고, 플레이트(740)는 90 ㎜의 길이, 90 ㎜의 폭 및 2.5 ㎜의 높이를 갖는다. 묘사된 실시예에서, 배터리 서브팩(700)의 재료 특성은 하기의 표 1에 나타나 있다:
[표 1]
배터리 서브팩의 열-물리적 특성
Figure pct00002
셀(310)의 경우, 직교이방성(orthotropic) 열 전도도는 (평면 표면(도 7b의 x 및 y-방향)을 따른) 면내 열 전도도 및 두께(도 7b의 z-방향)를 따른 관통 열 전도도 모두에 대해 모델링되었다. 열 분석은 1 atm 압력에서 25℃의 주변 조건에서 모델링되었다. 또한, 상부 표면(705)의 열 전달 계수(HTC)는 자연 대류 조건을 모사하기 위해 8 W/m2K로 설정되고, 외부 측면(707)의 HTC는 강제 대류 조건을 모사하기 위해 75 W/m2K로 설정되며, 플레이트(740)의 HTC는 냉각 플레이트를 통한 열 제거를 모사하기 위해 75 W/m2K로 설정되었다. 배터리 팩의 최고 온도가 기록되었고, 온도는 배터리 작동 동안에 3 개의 개별 셀 위치(T1, T2, T3)에서 모니터링되었다. 제1 셀 위치(T1)는 배터리 서브팩(700)의 중앙 셀(예를 들어, X축과 Y축의 교차점)에 위치되고, 제2 셀 위치(T2)는 코너 셀(예를 들어, 710)에 위치되고 위치(T1)로부터 X축 및 Y축을 따라 동일하게 변위되며, 제3 셀 위치(T3)는 Y축 상에 놓여 있는 중간 외부 셀에 위치되고 X축으로부터 변위된다.
실시예 1
1-C 방전에서의 셀의 열 분석
전술한 바와 같이 열 분석은 60 분(완전 방전) 동안 1-C의 방전 레이트로 수행되었다. 시뮬레이션은 전형적인 3 암페어-시간(Ah) 셀에 대해 1-C 레이트를 갖는 과도 상태로서 모델링되었다. 셀에서 생성된 전형적인 열은 1-C 레이트에 대해 0.5 W/Ah의 레이트일 것이며, 따라서 셀(예를 들어, 710)당 열 생성은 1.5 와트(W)로 설정되었다.
도 8a 내지 도 8d를 참조하면, 1-C의 방전 레이트로 작동하는 동안 배터리 서브팩(700)의 온도 프로파일을 도시하는 열 분석의 예시적인 모델이 도시되어 있다. 예를 들어, 도 8a는 배터리 서브팩(700)의 외부(예를 들어, 705, 707)의 온도 프로파일을 도시하고, 도 8b는 X축 및 Y축의 평면을 따른 배터리 서브팩의 온도 프로파일을 도시하고, 도 8c는 3 개의 온도 위치(T1, T2, T3)에서 각각의 개별 셀(710)의 온도 프로파일을 도시하며, 도 8d는 시간에 따른 3 개의 온도 위치(T1, T2, T3)에서의 최고 온도를 나타내는 그래프를 도시한다.
도시된 바와 같이, 셀(710)로부터 발생된 열은 배터리 서브팩(710)의 중앙으로부터 외부를 향해 분산되었다. 배터리 서브팩(700)의 최고 셀 온도는 중앙 셀(예를 들어, T1)에서 발생하고 44.8℃이었으며, 최저 온도는 코너 셀(T2)에서 발생하고 41.0℃이었다. 따라서, 배터리 서브팩(700)의 최대 온도 차이는 3.8℃이었으며, 이는 비교적 균일한 온도 차이에 대응한다. 또한, 인접한 셀 사이의 최대 온도 차이는 2.5℃인 것으로 나타났다.
최저 온도, 최고 온도 및 평균 온도가 3 개의 온도 위치(T1, T2, T3)에서 각각의 셀에 대해 60 분 만료 시에 취해졌다. 그 결과가 하기의 표 2에 나타나 있다.
[표 2]
1-C 방전에서의 배터리 서브팩의 온도 차이
Figure pct00003
도시된 바와 같이, 각각의 개별 셀에서의 온도 차이도 또한 비교적 균일하다. 도 8c에는, 개별 셀의 최대 온도 차이가 코너 셀(T2)에서 발생하고 2.9℃라는 것이 도시되어 있다. 그러나, 도 8b에는 X 및 Y 평면을 따른 셀 각각이 1.0℃ 미만인 수직 축을 따라 최대 온도 차이를 갖는 것으로 도시되어 있다. 배터리 서브팩(700)의 온도는 배터리가 방전됨에 따라 상승한다. 도 8d에 도시된 바와 같이, 3 개의 온도 위치(T1, T2, T3)에서의 각각의 셀에 대한 최고 온도는 마지막 10 분 작동 동안에 1.0℃ 미만만큼 상승한다. 예시를 위해, 곡선(802, 804 및 806)은 배터리 서브팩(700)의 방전 동안에 각각 T1, T2 및 T3에서의 최고 온도에 대응한다. 따라서, 연장된 기간 동안 유사한 전력량으로 배터리 서브팩(700)을 작동시키는 것은 셀의 온도를 상승시키지 않을 것이다. 따라서, 배터리 서브팩은 작동 동안에 45℃ 미만으로 유지된다. 따라서, 셀(710), 칸막이(720, 730) 및 플레이트(740)의 배열은 직육면체 배터리 서브팩의 높은 면내 전도도를 촉진하여, 셀 사이의 온도 분포를 균일하게 하면서 배터리로부터의 높은 열 제거를 용이하게 한다.
실시예 2
2-C 방전에서의 셀의 열 분석
전술한 바와 같이 열 분석은 30 분(완전 방전) 동안 2-C의 방전 레이트로 수행되었다. 시뮬레이션은 전형적인 3 암페어-시간(Ah) 셀에 대해 2-C 레이트를 갖는 과도 상태로서 모델링되었다. 셀에서 생성된 전형적인 열은 2-C 레이트에 대해 1.0 W/Ah의 레이트일 것이며, 따라서 셀(예를 들어, 710)당 열 생성은 3.0 W로 설정되었다.
도 9a 내지 도 9d를 참조하면, 2-C의 방전 레이트로 작동하는 동안 배터리 서브팩(700)의 온도 프로파일을 도시하는 열 분석의 예시적인 모델이 도시되어 있다. 예를 들어, 도 9a는 배터리 서브팩(700)의 외부(예를 들어, 705, 707)의 온도 프로파일을 도시하고, 도 9b는 X축 및 Y축의 평면을 따른 배터리 서브팩의 온도 프로파일을 도시하고, 도 9c는 3 개의 온도 위치(T1, T2, T3)에서 각각의 개별 셀(710)의 온도 프로파일을 도시하며, 도 9d는 시간에 따른 3 개의 온도 위치(T1, T2, T3)에서의 최고 온도를 나타내는 그래프를 도시한다.
도시된 바와 같이, 셀(710)로부터 발생된 열은 배터리 서브팩(710)의 중앙으로부터 외부를 향해 분산되었다. 배터리 서브팩(700)의 최고 셀 온도는 중앙 셀(예를 들어, T1)에서 발생하고 60.3℃이었으며, 최저 온도는 코너 셀(T2)에서 발생하고 51.7℃이었다. 따라서, 배터리 서브팩(700)의 최대 온도 차이는 8.6℃이었다. 이것은 1-C의 방전 동안의 차이보다 높지만, 여전히 정상 작동 온도 내에 있다. 추가적으로, 인접한 셀 사이의 최대 온도 차이는 4.4℃인 것으로 나타났다. 이와 같이, 방전 레이트가 증가되는 경우에도 온도가 여전히 비교적 균등하게 분배되는 것으로 보인다.
최저 온도, 최고 온도 및 평균 온도가 3 개의 온도 위치(T1, T2, T3)에서 각각의 셀에 대해 30 분 만료 시에 취해졌다. 그 결과가 하기의 표 3에 나타나 있다.
[표 3]
2-C 방전에서의 배터리 서브팩의 온도 차이
Figure pct00004
도시된 바와 같이, 각각의 개별 셀에서의 온도 차이도 또한 높은 방전 레이트에서 비교적 균일하다. 도 9c에는, 개별 셀의 최대 온도 차이가 코너 셀(T2)에서 발생하고 5.1℃라는 것이 도시되어 있다. 그러나, 도 8b에는 X 및 Y 평면을 따른 셀 각각이 3.0℃ 미만인 수직 축을 따라 최대 온도 차이를 갖는 것으로 도시되어 있다.
배터리 서브팩(700)의 온도는 방전이 종료될수록 보다 작은 기울기로 상승한다. 도 9d에 도시된 바와 같이, 3 개의 온도 위치(T1, T2, T3)에서의 각각의 셀에 대한 최고 온도는 마지막 10 분 작동 동안에 2.5℃ 미만만큼 상승한다. 예시를 위해, 곡선(902, 904 및 906)은 배터리 서브팩(700)의 방전 동안에 각각 T1, T2 및 T3에서의 최고 온도에 대응한다. 따라서, 연장된 기간 동안 이러한 높은 방전 레이트로 배터리 서브팩(700)을 작동시키는 것은 셀의 안전 범위 내에 있다. 따라서, 배터리 서브팩은 작동 동안에 약 60℃로 유지된다. 이것은 Li-이온 배터리에 대한 전형적인 방전 온도보다 높지만, 여전히 허용 가능한 범위 내에 있고 열 폭주 위험이 크지 않다. 따라서, 셀(710), 칸막이(720, 730) 및 플레이트(740)의 배열은 직육면체 배터리 서브팩의 높은 면내 전도도를 촉진하여, 셀 사이의 온도 분포를 균일하게 하면서 배터리로부터의 높은 열 제거를 용이하게 한다. 이러한 배터리 팩은 칸막이의 열 전도도 또는 셀의 z축 열 전도도 또는 냉각 플레이트의 열 전달 계수를 증가시키고 충전 또는 방전 시의 배터리 팩의 열 관리에 대한 많은 제어를 제공함으로써 더욱 최적화될 수 있다.
본 출원의 양태 및 그 이점이 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 규정된 바와 같은 본 개시의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 변화, 대체 및 변경이 본원에서 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 출원의 범위는 본 명세서에 설명된 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법 및 단계의 특정 구현예에 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 당업자는, 상기 개시로부터, 본원에 설명된 대응하는 구현예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현재 존재하거나 나중에 개발될 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법 또는 단계가 이용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 그 범위 내에 그러한 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법 또는 단계를 포함하는 것으로 의도된다.
상기 명세서는 예시적인 구성의 구조 및 사용에 대한 완전한 설명을 제공한다. 특정 구성이 특정 정도의 상세내용에 의해 또는 하나 이상의 개별 구성을 참조하여 상기에서 설명되었지만, 당업자는 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 개시된 구성에 많은 변경을 이룰 수 있다. 이와 같이, 방법 및 시스템의 다양한 예시적인 구성은 개시된 특정 형태에 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, 이들은 청구범위의 범위 내에 속하는 모든 변형예 및 대안예를 포함하며, 도시된 것 이외의 구성은 기술된 구성의 특징들 중 일부 또는 모두를 포함할 수 있다. 예를 들어, 요소가 생략되거나 일체형 구조로서 조합되거나, 연결이 대체되거나, 둘 모두가 수행될 수 있다. 또한, 적절한 경우, 전술한 임의의 예의 양태는 필적하거나 상이한 특성 및/또는 기능을 갖고 동일하거나 상이한 문제를 다루는 추가 예를 형성하기 위해 설명된 임의의 다른 예의 양태와 조합될 수 있다. 유사하게, 전술한 이익 및 이점은 하나의 구성에 관련될 수 있거나, 몇 개의 구성에 관련될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본원에 설명된 단일 구현예는 제한적인 것으로 해석되어서는 안 되며, 본 개시의 구현예는 본 개시의 교시로부터 벗어남이 없이 적절하게 조합될 수 있다.
개시된 구현예의 이전 설명은 당업자가 개시된 구현예를 형성하거나 사용할 수 있게 하도록 제공된다. 이러한 구현예에 대한 다양한 변형예가 당업자에게 쉽게 명백할 것이며, 본원에 규정된 원리는 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 구현예에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시는 본원에 나타낸 구현예에 제한되는 것으로 의도되지 않으며, 하기의 청구범위에 의해 규정된 바와 같은 원리 및 신규 특징과 일치하는 가능한 가장 넓은 범위에 부여되어야 한다. 청구범위는, 기능식 제한(means-plus-function or step-plus-function limitation)이 문구 "~을 위한 수단" 또는 "~를 위한 단계"를 사용하여 주어진 청구범위에서 명시적으로 기재되지 않는 한, 그러한 제한을 포함하는 것으로 의도되지 않으며 그러한 제한을 포함하는 것으로 해석되어서도 안 된다.
비교예
재료 및 방법 - 배터리 데이터
시중의 전기 차량 배터리 시스템의 광범위한 평가가 비교 목적으로 고려되었다. 이를 위해, "World Electric Vehicle Journal"에 게재된 "From Cell to Battery System in BEVs: Analysis of System Packing Efficiency and Cell Types"이라는 제목의 저널 기사에서, OEM으로부터 입수 가능한 많은 전기 차량 배터리 시스템에 대한 이용 가능한 데이터가 집계되었다. 차량에 대한 데이터를 찾기가 용이하지 않기 때문에, 데이터의 집계가 조합적인 노력이었다는 점에 주목해야 한다. 일부 소스는 차량의 셀 및 모듈 크기에 대한 정보를 제공하고, 다른 소스는 예를 들어 시스템 설계에 대해서만 제공한다. 다음에, 이러한 데이터는 각각의 전기 차량의 전체 배터리 시스템 데이터 세트로 정리되었다.
도 10을 참조하면, 모든 셀 유형의 비에너지의 효율은 에너지 밀도보다 높다. 또한, 중량 상관관계는 매우 높지만(파우치 및 각주형 셀의 경우 R2 = 0.795; 원통형 셀의 경우 R2 = 0.824), 각주형 및 파우치 셀 차량의 체적 상관관계(R2 = 0.378)는 다소 약하다. 셀 레벨과 비교하여 시스템 레벨에서 40% 내지 45%의 비에너지 손실 및 65% 내지 70%의 에너지 밀도 손실을 나타낸다.
이러한 효율성이 어디에서 손실되었는지를 확인하기 위해 효율성 비율이 표 4에 나타나 있으며, 셀과 모듈 및 모듈과 시스템의 2 개의 조합이 분석될 필요가 있다.
[표 4]
시스템 레벨에 대한 셀 레벨의 효율성 비율
Figure pct00005
데이터로부터, 시스템 레벨 에너지 밀도는 시스템 레벨의 17%에서 53%까지 다양하며, 평균은 약 30% 내지 35%임을 알 수 있다. 그래서 평균적으로, 모든 유형의 셀에 대한 에너지 밀도 손실은 65% 내지 70%이다.
실시예 3
새로운 다기능 셀 고에너지 조밀 모듈/팩
본 발명에서, 셀 및 모듈/팩은 하기 사항을 고려하여 재설계된다:
● 자연의 리드를 따라 재료, 형태 및 기능을 최적화함 - 셀, 모듈 및 팩이 재구상됨
● 최고의 패킹 효율 및 에너지 밀도 - 종래 셀보다 100% 더 높음
● 셀-팩 및 셀-스케이트보드에의 적합성
○ 4680 원통형 또는 CATL 각주형 셀보다 최적임
● 이러한 솔루션이 기존 라인의 최소 변형으로 기존 파우치 셀 제조에 적합하므로 위험이 매우 낮음
● 새로운 화학물질이 필요하지 않음
● 모든 형식 중에서 잠재적으로 가장 낮은 셀 내부 저항
● 균일한 온도 및 전기장
○ 사이클 수명 증가
● 오용 조건에서의 셀의 안전한 방전
○ 과충전 및 덴드라이트 형성
○ 충돌
■ 용이한 분해 및 재활용을 위한 설계
정사각형 단면 셀은 128 Wh/35 Ah(500 Wh/L)에서 4 ㎝ x 4 ㎝ x 16 ㎝의 각각 셀이 효과적인 것으로 고려된다(도 11). 셀은 30 W/mK의 면내 전도도, 3 W/mK의 관통 전도도, 2780 kg/m3의 밀도 및 1280 J/KgK의 비열을 갖는다. 본 발명 배터리 팩에 존재하는 스페이서는 두께가 4 ㎜이고, 30 W/mK의 면내 전도도, 1 W/mK의 관통 전도도, 900 kg/m3의 밀도 및 1800 J/KgK의 비열을 갖는다. 하부 냉각 플레이트는 1000 W/m2K의 열 전달 계수를 달성할 수 있는 냉각 채널이 내장된 두께 1 ㎝의 알루미늄이 대표적이다. 본 발명의 100 kWh 배터리 팩은 28 x 28 셀 = 780 개의 셀, 1.23 m x 1.23 m, 총 높이 = 20 ㎝, 체적 = 330 Wh/L을 갖는다.
본 발명 배터리 팩에 기초하여 얻어진 에너지 밀도의 손실은 시중의 전기 차량의 기준 배터리 팩의 65% 내지 70%와 비교하여 34%에 불과하다. 이것은 에너지 밀도의 거의 100% 증가에 대응한다.
도 12는 27℃의 냉각수 온도에서 일정한 2C 방전으로의 방전 종료(30 분) 시의 온도 분포를 도시한다. 도면의 a)는 배터리 팩의 온도 등고선; b)는 중간면의 온도 등고선이다. 가혹한 2C 방전 종료 시의 온도 구배는 셀 높이를 따라 16 ㎝에 걸쳐 매우 작고(4℃), 냉각 플레이트와 평행한 평면에 걸쳐 거의 균일하다. 이러한 실시예의 모든 시뮬레이션은 ANSYS® Fluent® 2020 R2를 사용하여 수행된다.
실시예 4
실시예 3
새로운 다기능 육각형 셀 고에너지 조밀 모듈/팩
본 발명에서, 셀 및 모듈/팩은 하기 사항을 고려하여 재설계된다:
● 자연의 리드를 따라 재료, 형태 및 기능을 최적화함 - 셀, 모듈 및 팩이 재구상됨
● 최고의 패킹 효율 및 에너지 밀도 - 종래 셀보다 100% 더 높음
● 셀-팩 및 셀-스케이트보드에의 적합성
○ 4680 원통형 또는 CATL 각주형 셀보다 최적임
● 이러한 솔루션이 기존 라인의 최소 변형으로 기존 파우치 셀 제조에 적합하므로 위험이 매우 낮음
● 새로운 화학물질이 필요하지 않음
● 모든 형식 중에서 잠재적으로 가장 낮은 셀 내부 저항
● 균일한 온도 및 전기장
○ 사이클 수명 증가
● 오용 조건에서의 셀의 안전한 방전
○ 과충전 및 덴드라이트 형성
○ 충돌
■ 용이한 분해 및 재활용을 위한 설계
육각형 단면 셀은 128 Wh/35 Ah(500 Wh/L)에서 4 ㎝ 변의 각각 셀이 효과적인 것으로 고려된다(도 13). 셀은 30 W/mK의 면내 전도도, 3 W/mK의 관통 전도도, 2780 kg/m3의 밀도 및 1280 J/KgK의 비열을 갖는다. 본 발명 배터리 팩에 존재하는 스페이서는 두께가 4 ㎜이고, 30 W/mK의 면내 전도도, 1 W/mK의 관통 전도도, 900 kg/m3의 밀도 및 1800 J/KgK의 비열을 갖는다. 하부 냉각 플레이트는 1000 W/m2K의 열 전달 계수를 달성할 수 있는 냉각 채널이 내장된 두께 1 ㎝의 알루미늄이 대표적이다. 본 발명 배터리 팩에 기초하여 얻어진 에너지 밀도의 손실은 시중의 전기 차량의 기준 배터리 팩의 65% 내지 70%와 비교하여 30% 내지 40%에 불과하다. 이것은 에너지 밀도의 거의 100% 증가에 대응한다.

Claims (16)

  1. 배터리 서브팩으로서,
    제1 셀 및 제2 셀을 포함하는 복수의 셀; 및
    제1 평면 및 상기 제1 평면과는 상이한 제2 평면에서 연장되는 칸막이를 포함하며, 상기 칸막이의 적어도 일부는 상기 제1 셀과 상기 제2 셀 사이에 위치되고;
    상기 칸막이의 면내 열 전도도는 0.1 내지 100 와트/미터 켈빈이거나;
    상기 복수의 셀 중 하나의 셀의 면내 열 전도도는 1 내지 100 와트/미터 켈빈이거나;
    이들의 조합인, 배터리 서브팩.
  2. 배터리 서브팩으로서,
    제1 셀 및 제2 셀을 포함하고, 배터리 서브팩의 제1 측면과 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면 사이에 개재된 복수의 셀; 및
    제1 평면 및 상기 제1 평면과는 상이한 제2 평면에서 연장되는 칸막이를 포함하며, 상기 칸막이의 적어도 일부는 상기 제1 셀과 상기 제2 셀 사이에 위치되고;
    상기 복수의 셀은 섭씨 20 내지 40도 범위 내의 전체 온도에서 작동하는 동안 및 상기 복수의 셀이 25% 용량 방전을 위해 2의 C-레이트로 언로딩되는 동안에 상기 배터리 서브팩의 순간 변화량이 섭씨 10도 이하가 되도록 구성되는, 배터리 서브팩.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 셀은 제3 셀을 추가로 포함하는, 배터리 서브팩.
  4. 제3항에 있어서, 상기 칸막이는,
    상기 제1 셀과 대면하도록 구성되고 상기 제1 셀과 상기 제2 셀 사이에 개재된 제1 표면; 및
    상기 제1 표면으로부터 연장되고 상기 제1 셀과 대면하며, 상기 제1 셀과 상기 제3 셀 사이에 개재된 제2 표면을 포함하는, 배터리 서브팩.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 표면은 제1 칸막이에 대응하고, 상기 제2 표면은 상기 제1 칸막이에 인터로킹 결합되는 제2 칸막이에 대응하는, 배터리 서브팩.
  6. 배터리 서브팩으로서,
    제1 직육면체 셀 및 제2 직육면체 셀을 포함하는 복수의 직육면체 셀을 포함하며;
    상기 복수의 직육면체 셀은 직육면체 케이스 내에 위치되고, 상기 직육면체 케이스는 상기 복수의 셀을 통한 수평 단면을 포함하고, 상기 복수의 셀은 상기 수평 단면의 총 면적의 적어도 50%를 포함하는, 배터리 서브팩.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 셀은 상기 수평 단면의 적어도 80%를 포함하는, 배터리 서브팩.
  8. 배터리 서브팩으로서,
    제1 셀, 제2 셀, 제1 측면, 및 상기 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 포함하는 복수의 셀;
    상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이에 위치된 하나 이상의 칸막이로서, 상기 하나 이상의 칸막이는 제1 평면 및 상기 제1 평면과는 상이한 제2 평면에서 연장되며, 상기 하나 이상의 칸막이의 적어도 일부는 상기 제1 셀과 상기 제2 셀 사이에 위치되는, 하나 이상의 칸막이; 및
    상기 복수의 셀의 제2 측면에 배치된 플레이트를 포함하는, 배터리 서브팩.
  9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 셀은 제3 셀을 추가로 포함하는, 배터리 서브팩.
  10. 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 칸막이는,
    상기 제1 셀과 대면하도록 구성되고 상기 제1 셀과 상기 제2 셀 사이에 개재된 제1 표면; 및
    상기 제1 표면으로부터 연장되고 상기 제1 셀과 대면하며, 상기 제1 셀과 상기 제3 셀 사이에 개재된 제2 표면을 포함하는, 배터리 서브팩.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 셀의 각각의 셀은 리튬-이온 배터리인, 배터리 서브팩.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 셀의 제2 측면에 배치된 플레이트를 추가로 포함하며;
    상기 복수의 셀은 상기 제1 측면 및 상기 제1 측면에 대향하는 상기 제2 측면을 포함하고 이들 사이에 개재되는, 배터리 서브팩.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 칸막이는 섬유, 탄소 섬유, 고배향 폴리올레핀, 폴리머, 금속화 폴리머 및 고전도성 금속을 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는, 배터리 서브팩.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 칸막이는 폴리머를 포함하고;
    상기 칸막이는 액체 채널을 한정하는, 배터리 서브팩.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 플레이트는 제1 평면 표면 및 상기 제1 평면 표면과 상기 복수의 셀 사이에 개재된 제2 평면 표면을 포함하며;
    상기 수평 단면은 상기 플레이트의 제2 평면 표면과 평행한, 배터리 서브팩.
  16. 제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 칸막이는,
    상기 복수의 셀 중 제1 셀과 대면하는 제1 표면을 갖는 제1 칸막이; 및
    상기 제1 셀과 대면하는 제2 표면을 갖는 제2 칸막이를 포함하며, 상기 제2 표면은 상기 제1 표면에 대해 각을 이루어 배치되는, 배터리 서브팩.
KR1020237004813A 2020-07-10 2021-07-09 배터리를 위한 열 전도성 칸막이 구성 KR20230049639A (ko)

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