KR20230070269A - 배터리 팩 구조물들 및 시스템들 - Google Patents

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KR20230070269A
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니베이 아난다라자
에반 디. 메일리
알렉산더 제이. 클라라벗
유-헝 리
존 엠. 쇼크
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애플 인크.
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Abstract

본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩들은 종방향 빔을 포함할 수 있다. 팩들은 종방향 빔에 인접하게 배치된 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 각각의 배터리 셀은 제1 표면, 및 제1 표면의 반대편에 있는 제2 표면에 의해 특징지어질 수 있다. 각각의 배터리 셀은 제1 표면과 제2 표면 사이에서 수직으로 연장되는 제3 표면에 의해 특징지어질 수 있다. 제1 표면은 종방향 빔을 향할 수 있고, 배터리 단자들은 제3 표면으로부터 연장될 수 있다. 각각의 배터리 셀은 제3 표면의 반대편에 있는 제4 표면에 의해 특징지어질 수 있다. 팩들은 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 제1 표면과 커플링된 덮개를 포함할 수 있다. 팩들은 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 제2 표면과 커플링된 베이스를 포함할 수 있다.

Description

배터리 팩 구조물들 및 시스템들
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 10월 22일자로 출원된 미국 정규 출원 제17/077,259호의 이익을 주장하며, 그 정규 출원은 이로써 모든 목적들을 위해 그 전체가 참고로 포함된다.
기술분야
본 기술은 배터리 구조물들 및 시스템들에 관한 것이다. 더 상세하게, 본 기술은 팩 내의 배터리들을 구성 및 커플링시키는 방법들에 관한 것이다.
배터리 팩 내의 배터리 배치는 많은 고려사항들로 수행될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀들의 콤팩트한 배치를 갖는 배터리 구성들은 팩 내에 더 많은 배터리 셀들을 허용함으로써, 증가된 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 셀들의 콤팩트한 배치에 대해 많은 열적, 구조적, 및 기계적 문제들이 존재한다.
본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩들은 종방향 빔을 포함할 수 있다. 팩들은 종방향 빔에 인접하게 배치된 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 각각의 배터리 셀은 제1 표면, 및 제1 표면의 반대편에 있는 제2 표면에 의해 특징지어질 수 있다. 각각의 배터리 셀은 제1 표면과 제2 표면 사이에서 수직으로 연장되는 제3 표면에 의해 특징지어질 수 있다. 제1 표면은 종방향 빔을 향할 수 있고, 배터리 단자들은 제3 표면으로부터 연장될 수 있다. 각각의 배터리 셀은 제3 표면의 반대편에 있는 제4 표면에 의해 특징지어질 수 있다. 팩들은 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 제1 표면과 커플링된 덮개를 포함할 수 있다. 팩들은 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 제2 표면과 커플링된 베이스(base)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 팩들은 2개의 배터리 셀들 사이에서 종방향 빔으로부터 연장되는 측벽을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 셀들은 배터리 셀들의 제1 세트 및 배터리 셀들의 제2 세트를 포함할 수 있다. 종방향 빔은 제1 종방향 표면 및 제1 종방향 표면의 반대편에 있는 제2 종방향 표면에 의해 특징지어질 수 있다. 배터리 셀들의 제1 세트의 각각의 배터리 셀의 제3 표면은 종방향 빔의 제1 종방향 표면을 향할 수 있다. 배터리 셀들의 제2 세트의 각각의 배터리 셀의 제3 표면은 종방향 빔의 제2 종방향 표면을 향할 수 있다. 팩들은 배터리 셀들의 제1 세트의 각각의 배터리 셀의 제4 표면에 인접하게 위치된 제1 측면 빔을 포함할 수 있다. 팩들은 배터리 셀들의 제2 세트의 각각의 배터리 셀의 제4 표면에 인접하게 위치된 제2 측면 빔을 포함할 수 있다.
복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀은 배터리 셀의 제4 표면에 벤트(vent)를 포함할 수 있다. 복수의 배터리 셀들 중 제1 배터리 셀은 제1 배터리 셀의 제1 표면에 근접한 제4 표면에 한정된 벤트를 가질 수 있다. 제1 배터리 셀에 인접한 복수의 배터리 셀들 중 제2 배터리 셀은 제2 배터리 셀의 제2 표면에 근접한 제4 표면에 한정된 벤트를 가질 수 있다. 제1 배터리 셀 및 제2 배터리 셀에 인접한 측면 빔은 제1 플레넘(plenum) 및 제2 플레넘을 한정할 수 있다. 제1 플레넘은 제1 배터리 셀의 벤트와 정렬될 수 있다. 제2 플레넘은 제2 배터리 셀의 벤트와 정렬될 수 있다. 베이스는 열 교환기일 수 있고, 베이스는 종방향 빔에 직각으로 연장되는 유체 채널들을 한정할 수 있다. 종방향 빔은 I-빔일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 배터리 단자들은 I-빔의 표면을 따라 내부에 한정된 리세스 내에서 연장될 수 있다.
본 기술의 일부 실시예들은 배터리 팩들을 포함할 수 있다. 팩들은 제1 종방향 표면 및 제1 종방향 표면의 반대편에 있는 제2 종방향 표면에 의해 특징지어진 종방향 빔을 포함할 수 있다. 팩들은 제1 측면 빔을 포함할 수 있다. 팩들은 제2 측면 빔을 포함할 수 있다. 팩들은 제1 측면 빔과 종방향 빔의 제1 종방향 표면 사이에 배치된 배터리 셀들의 제1 세트를 포함할 수 있는 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 배터리 셀들은 제2 측면 빔과 종방향 빔의 제2 종방향 표면 사이에 배치된 배터리 셀들의 제2 세트를 포함할 수 있다. 배터리 셀들의 제1 세트의 각각의 배터리 셀 및 배터리 셀들의 제2 세트의 각각의 배터리 셀은 제1 표면, 제1 표면의 반대편에 있는 제2 표면, 및 제1 표면과 제2 표면 사이에서 수직으로 연장되는 제3 표면에 의해 특징지어질 수 있다. 제1 표면은 종방향 빔을 향할 수 있고, 배터리 단자들은 제3 표면으로부터 연장될 수 있다. 배터리 셀들은 또한 제3 표면의 반대편에 있는 제4 표면에 의해 특징지어질 수 있다. 팩들은 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 제1 표면과 커플링된 덮개를 포함할 수 있다. 팩들은 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 제2 표면과 커플링된 베이스를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 팩들은 제1 측면 빔과 종방향 빔의 제1 표면 사이에서 연장되는 제1 측벽을 포함할 수 있다. 제1 측벽은 배터리 셀들의 제1 세트 중 2개의 배터리 셀들 사이에서 연장될 수 있다. 제2 측벽은 제2 측면 빔과 종방향 빔의 제2 표면 사이에서 연장될 수 있다. 제2 측벽은 배터리 셀들의 제2 세트 중 2개의 배터리 셀들 사이에서 연장될 수 있다. 베이스는 열 교환기일 수 있고, 베이스는 종방향 빔에 직각으로 연장되는 유체 채널들을 한정할 수 있다. 베이스는 베이스 내에 리세스를 한정할 수 있고, 제1 측벽은 베이스 내에 한정된 리세스 내에 안착될 수 있다. 팩들은 덮개를 통해 연장되고, 배터리 팩의 복수의 배터리 셀들과 커플링되는 전기 인터페이스를 포함할 수 있다. 팩들은 덮개 상에 안착되고 전기 인터페이스와 전기적으로 커플링된 전자 모듈을 포함할 수 있다. 전자 모듈은 제1 측벽과 커플링될 수 있다.
복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀은 배터리 셀의 제4 표면에 벤트를 포함할 수 있다. 배터리 셀들의 제1 세트 중 제1 배터리 셀은 제1 배터리 셀의 제1 표면에 근접한 제4 표면에 한정된 벤트를 가질 수 있다. 제1 배터리 셀에 인접한 배터리 셀들의 제1 세트 중 제2 배터리 셀은 제2 배터리 셀의 제2 표면에 근접한 제4 표면에 한정된 벤트를 가질 수 있다. 배터리 셀들의 제1 세트에 인접한 제1 측면 빔은 제1 플레넘 및 제2 플레넘을 한정할 수 있다. 제1 플레넘은 제1 배터리 셀의 벤트와 정렬될 수 있다. 제2 플레넘은 제2 배터리 셀의 벤트와 정렬될 수 있다. 배터리 셀들은 배터리 팩의 체적의 적어도 약 60% 내에서 연장될 수 있다.
본 기술의 일부 실시예들은 배터리 팩들을 포함한다. 팩들은 제1 종방향 표면 및 제1 종방향 표면의 반대편에 있는 제2 종방향 표면에 의해 특징지어진 종방향 빔을 포함할 수 있다. 팩들은 종방향 빔의 제1 종방향 표면에 인접하게 배치된 배터리 셀들의 제1 세트를 포함하는 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 배터리 셀들은 종방향 빔의 제2 종방향 표면에 인접하게 배치된 배터리 셀들의 제2 세트를 포함할 수 있다. 배터리 셀들의 제1 세트의 각각의 배터리 셀 및 배터리 셀들의 제2 세트의 각각의 배터리 셀은 제1 표면, 제1 표면의 반대편에 있는 제2 표면, 및 제1 표면과 제2 표면 사이에서 수직으로 연장되는 제3 표면에 의해 특징지어질 수 있다. 제1 표면은 종방향 빔을 향할 수 있고, 배터리 단자들은 제3 표면으로부터 연장될 수 있다. 배터리 셀들은 제3 표면의 반대편에 있는 제4 표면에 의해 특징지어질 수 있다. 팩들은 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 제1 표면과 커플링된 덮개를 포함할 수 있다. 팩들은 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 제2 표면과 커플링된 베이스를 포함할 수 있다. 베이스는 베이스 내에 복수의 열 교환 유체 채널들을 한정할 수 있다.
그러한 기술은 종래의 기술에 비해 많은 이점들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 시스템들은 종래의 팩 구조물들을 통해 체적 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다. 부가적으로, 본 시스템들은 지지 구조물의 일부로서 배터리 셀들을 이용함으로써, 개선된 컴포넌트 구조적 무결성을 가질 수 있다. 이들 및 다른 실시예들이, 그들의 장점들 및 특징들 중 다수와 함께, 이하의 설명 및 첨부 도면과 관련하여 보다 상세히 설명된다.
개시된 실시예들의 본질 및 장점들에 대한 추가적 이해는 명세서의 나머지 부분들 및 도면을 참조하여 실현될 수 있다.
도 1은 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩의 개략적인 분해도를 도시한다.
도 2는 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩의 개략적인 부분 단면도를 도시한다.
도 3은 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩의 베이스 부재의 개략적인 등각도를 도시한다.
도 4는 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩의 베이스 부재의 개략적인 부분 단면도를 도시한다.
도 5는 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩에 대한 덮개의 개략적인 부분도를 도시한다.
도 6은 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩의 일부의 개략적인 부분 단면도를 도시한다.
도 7은 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩의 측면 빔을 통한 개략적인 부분 단면도를 도시한다.
도면들 중 몇몇은 개략도(schematic)들로서 포함되어 있다. 도면들이 예시적인 목적을 위한 것이며, 일정한 축척으로 되어 있다고 구체적으로 언급되지 않는 한, 일정한 축척으로 되어 있는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 이해될 것이다. 부가적으로, 개략도들로서, 도면들은 이해를 돕기 위해 제공되고, 사실적인 표현들과 비교하여 모든 양태들 또는 정보를 포함하는 것은 아닐 수 있고, 예시적인 목적들을 위해 과장된 재료를 포함할 수 있다.
도면들에서, 유사한 컴포넌트들 및/또는 특징부들은 동일한 숫자 참조 라벨을 가질 수 있다. 추가로, 동일한 유형의 다양한 컴포넌트들이 유사한 컴포넌트들 및/또는 특징부들을 구별해주는 문자를 참조 라벨에 뒤따르게 하는 것에 의해 구별될 수 있다. 명세서에서 제1 숫자 참조 라벨만이 사용되면, 설명이 문자 접미사(letter suffix)와 관계없이 동일한 제1 숫자 참조 라벨을 갖는 유사한 컴포넌트들 및/또는 특징부들 중 임의의 것에 적용가능하다.
배터리 팩들은 일정 양의 전력을 생성하기 위해 함께 패키징된 임의의 수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 많은 재충전가능 배터리들은 권취형(wound), 적층형, 프리즘형 뿐만 아니라 다른 구성들을 포함하는 임의의 수의 설계들을 갖는 다수의 셀들을 포함할 수 있다. 개별 셀들은 직렬 연결들 및 병렬 연결들을 포함하는 다양한 방식들로 함께 커플링될 수 있다. 증가된 용량이 더 작은 폼 팩터들로부터 추구됨에 따라, 배터리 셀 구성들 및 패키징은 정상 동작 조건들 하에서 뿐만 아니라 남용 조건들 동안 배터리 시스템의 동작에서 중요한 역할을 할 수 있다.
예를 들어, 셀 손상은 일부 배터리 셀 설계들에서의 단락(short circuiting)을 유발할 수 있으며, 이는 온도 증가들을 야기하여, 열 폭주를 유발하는 발열 반응들을 개시할 수 있다. 이러한 이벤트들은 셀의 크기 및 용량에 의존하여 초, 분, 또는 그 초과일 수 있는 시간 기간에 걸쳐 수백 도의 온도들을 생성할 수 있다. 손상이 셀 내에서 발생했는지 여부에 관계없이, 배터리 셀 내의 내부 온도들이 임계 온도를 초과할 때 열 폭주가 발생할 수 있다. 개시 메커니즘에 관계없이, 일단 시작되면, 결과는 종종, 반응들이 셀 재료를 소모할 때까지의 연속적인 열 생성이다. 배터리 셀들이 팩 설계 내에 배치될 때, 인접한 셀들은 장애 이벤트들을 겪는 이웃 셀들로부터 고온들에 노출될 수 있다. 이러한 노출이 충분한 시간 기간에 걸쳐 발생하면, 인접 셀 내의 내부 온도는 열 폭주에 대한 임계치를 초과하여, 장애를 인접 셀로 연장시킬 수 있다. 이어서, 이러한 프로세스는 팩 내의 각각의 셀에 걸쳐 계속될 수 있으며, 결국 모든 셀은 아니지만 대부분의 셀들을 소모한다.
종래의 팩들은, 셀들을 격리시키거나, 광범위한 절연을 통합하거나, 또는 셀들의 서로로부터의 분리를 증가시킴으로써 이러한 속성의 장애 확산을 제어하려고 시도하였다. 이것이 인접한 셀들로의 셀 장애 확산으로부터 부가적인 보호를 제공할 수 있지만, 이는 또한 일부 시스템 요건들 미만으로 배터리 팩의 용량을 제한할 수 있다. 부가적으로, 배터리 팩들이 드롭되거나, 충격을 받거나, 관통되거나, 또는 달리 손상될 수 있는 디바이스들에서 사용될 때, 배터리 팩 및 구성 셀들이 또한 손상될 수 있으며, 이는 유사한 발열 반응들이 발생하게 할 수 있다. 결과적으로, 종래의 기술들은 하우징 또는 구조적 지지부로부터 배터리 셀들을 추가로 절연시키고 격리시킬 수 있으며, 이는 배터리 팩의 용량 또는 에너지 밀도를 추가로 감소시킬 수 있다. 본 기술은 많은 상이한 남용 이벤트들에 대해 부하 분배를 용이하게 하기 위해 구조물 내에 배터리 셀들을 통합하는 시스템들을 생성함으로써 이러한 문제들을 극복한다. 전체 팩 구조적 지지부들과 직접 배터리 셀들을 통합함으로써, 하우징 및 인클로저 컴포넌트들이 감소될 수 있으며, 이는 배터리 팩에 대한 증가된 체적 밀도 및 특정 에너지를 허용할 수 있고, 이는 종래의 시스템들에 비해 더 콤팩트하고 견고한 설계를 제공할 수 있다. 유리하게, 공간 효율적인 방식으로 컴포넌트들을 통합함으로써, 본 기술은 셀들을 인클로저에 직접 커플링시키는 고유한 열 확산으로 인해 더 적은 절연을 이용할 수 있다.
비록 설명의 나머지 부분들이 일상적으로 리튬-이온 또는 다른 재충전가능 배터리들을 참조할 것이지만, 본 기술이 그렇게 제한되지 않는다는 것이 당업자에 의해 용이하게 이해될 것이다. 본 기법들은, 다른 재충전가능 1차(rechargeable and primary) 또는 비-재충전가능(non-rechargeable) 배터리 유형들 뿐만 아니라 슈퍼커패시터들 또는 울트라커패시터들로 또한 알려져 있는 전기화학 커패시터들을 포함하는 임의의 수의 배터리 또는 에너지 저장 디바이스들로 이용될 수 있다. 게다가, 본 기술은 전화기들 및 모바일 디바이스들, 핸드헬드 전자 디바이스들, 랩톱들 및 다른 컴퓨터들, 어플라이언스들, 중장비, 자동차들, 수상 선박들(water-faring vessels), 항공 여행 장비(air-travel equipment), 및 우주 여행 장비를 포함한 운송 장비 뿐만 아니라 배터리들을 사용하거나 논의된 설계들로부터 이득을 얻을 수 있는 임의의 다른 디바이스를 제한 없이 포함할 수 있는 임의의 수의 기술들에서 사용되는 배터리들 및 에너지 저장 디바이스들에 적용가능할 수 있다. 따라서, 본 개시내용 및 청구범위는 논의된 임의의 특정 예로 제한되는 것으로 간주되어서는 안되며, 논의된 예들의 전기적 또는 다른 특성들 중 일부 또는 전부를 나타낼 수 있는 임의의 수의 디바이스들에서 광범위하게 이용될 수 있다.
도 1은 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩(100)의 개략적인 분해도를 도시한다. 배터리 팩(100)은 종방향 빔(110)의 어느 하나의 측면을 따라 행들로 분포된 다수의 배터리 셀들(105)을 포함한다. 배터리 셀들(105)은 배터리 팩의 길이를 연장하는 2개의 행들로 종방향 빔(110)에 의해 서로 분리될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다수의 종방향 빔들이 배터리 팩 내에 포함될 수 있으며, 여기서 부가적인 구조적 지지부 또는 더 큰 폼 팩터들이 생성된다. 종방향 빔들은 구조적 무결성을 배터리 팩에 제공할 수 있으며, 아래에서 추가로 설명될 바와 같이 배터리 단자들 및 배터리 커플링에 대한 보호를 제공할 수 있다. 예시된 바와 같이, 배터리 팩(100)은 배터리 셀들(105)의 제1 세트(112a) 및 배터리 셀들(105)의 제2 세트(112b)를 포함하는 배터리 셀들(105)의 2개의 세트들을 포함한다. 도시된 바와 같이, 배터리 셀들의 제1 세트(112a)는 종방향 빔(110)의 제1 종방향 표면(111a)으로부터 바깥쪽으로 연장될 수 있고, 배터리 셀들의 제2 세트(112b)는 제1 종방향 표면의 반대편에 있을 수 있는 종방향 빔(110)의 제2 종방향 표면(111b)으로부터 바깥쪽으로 연장될 수 있다. 배터리 셀들(105)은 아래에서 추가로 설명될 바와 같이 2개의 세트들 사이에서 배향이 반전될 수 있으며, 이는 종방향 빔(110)을 향하도록 모든 셀들에 대한 배터리 단자들을 지향시킬 수 있다.
종방향 빔을 향하는 표면들의 반대편에 있는 배터리 셀들의 표면들을 따르는 것은 측면 빔들일 수 있다. 예를 들어, 제1 측면 빔(115)은 배터리 셀들의 제1 세트(112a)의 각각의 배터리 셀에 인접하게 위치될 수 있고, 제2 측면 빔(117)은 배터리 셀들의 제2 세트(112b)의 각각의 배터리 셀에 인접하게 위치될 수 있다. 배터리 셀들 사이의 간격들에 하나 이상의 측벽들(120)이 포함될 수 있으며, 이들은 배터리 셀들의 각각의 세트의 2개의 배터리 셀들 사이에서 종방향 빔(110)으로부터 연장될 수 있다. 임의의 수의 측벽들(120)이 본 기술에 따른 배터리 팩들에 포함될 수 있으며, 이들은 배터리 셀들의 각각의 세트를 추가로 지지하고, 부가적인 구조적 무결성을 제공할 수 있다. 측벽들은 배터리들의 임의의 간격으로 통합될 수 있으며, 이는 배터리 팩에 걸쳐 동일하거나 상이할 수 있다. 이는 아래에서 설명될 바와 같이 측벽들이 부가적인 커플링을 위해 이용되게 허용할 수 있다. 덮개(125)는 베이스(130) 상에 안착될 수 있는 배터리 셀들 위에 놓이게 커플링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 덮개(125)는 배터리 팩이 통합되는 시스템에 구조적 부착들을 제공하는 구조적 부재로서 작용할 수 있다. 전자 모듈(135) 및 전력 관리 유닛은 덮개 상에 안착될 수 있으며, 아래에서 추가로 설명될 바와 같이 전자적으로 배터리 셀들과 커플링될 수 있다.
예시된 바와 같이, 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩들은 배터리 팩들의 구조적 지지부들로부터 배터리 셀들을 분리하는 부가적인 하우징을 포함하지 않을 수 있다. 많은 종래의 배터리 팩들은 모듈들에서 배터리 셀들을 격리시킬 수 있으며, 이들은 이어서 배터리 팩에 대한 구조적 셋업 내에 통합될 수 있다. 그러한 모듈들이 특정 기하학적 구조들에 의해 특징지어질 수 있기 때문에, 결과적인 배터리 팩들은 공간을 비효율적으로 이용할 수 있고, 구조적 부재들 주위에 다수의 갭들을 유지할 수 있다. 본 기술은, 전체 배터리 팩의 추가적인 보강 뿐만 아니라 배터리 팩이 통합될 수 있는 시스템에 대한 추가적인 보강을 제공하기 위해 팩 구조물과 함께 직접 이용될 수 있는 대안적인 배터리 기하학적 구조들 및 재료들을 이용할 수 있다. 예를 들어, 본 기술에 의해 포함되는 배터리 셀들이 임의의 치수들에 의해 특징지어질 수 있지만, 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 셀들은 약 10 cm 이상의 측방향 치수들(예컨대, 종방향 빔(110)의 길이에 직각으로 연장됨)에 의해 특징지어질 수 있고, 약 20 cm 이상, 약 30 cm 이상, 약 40 cm 이상, 약 50 cm 이상, 약 60 cm 이상, 약 70 cm 이상, 약 80 cm 이상, 약 90 cm 이상, 약 100 cm 이상 또는 그 초과의 측방향 치수들에 의해 특징지어질 수 있다. 따라서, 각각의 배터리 셀은 종방향 빔(110)으로부터 연관된 측면 빔으로 연장될 수 있다.
많은 종래의 설계들에서, 인접한 셀들로의 열 소산을 제어하는 것을 보조하기 위해 각각의 셀 블록의 모든 측면들을 따라 절연이 제공될 수 있다. 그러나, 장애 이벤트들 동안의 열의 신속한 생성 때문에, 인접한 셀들로 전달되는 열은 인접한 셀들의 내부 온도들을 임계치 초과로 상승시켜, 인접한 셀들에서 열 폭주를 또한 개시하기에 여전히 충분할 수 있다. 셀들 주위로 연장되는 절연 때문에, 바로 인접한 셀들로의 열의 분배는 실질적으로 균일할 수 있고, 열 폭주에서 생성되는 열의 양은 각각의 인접한 셀의 내부 온도들이 열 폭주 임계치를 초과하여 증가하게 할 수 있다. 결과적으로, 많은 종래의 설계들은 더 많은 배터리 셀 분리를 포함하는 부가적인 및 더 두꺼운 절연 및 모듈 설계들을 포함하는 덜 콤팩트한 구성들로 제한될 수 있다.
본 기술은 일부 실시예들에서, 장애 이벤트들 동안 더 느린 반응에 의해 또는 셀 재료들의 더 낮은 레이트의 악화(degeneration)에 의해 특징지어질 수 있는 배터리 셀들을 이용할 수 있다. 예를 들어, 장애 이벤트 동안, 셀 내의 활성 재료들을 소모하는 반응들은 반응을 늦추기 위해 셀들의 화학적 구성에 기초하여 제어될 수 있으며, 이는 이벤트의 온도를 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 장애 동안의 피크 온도는 약 1,000℃ 미만으로 유지될 수 있고, 약 900℃ 이하, 약 800℃ 이하, 약 700℃ 이하, 약 600℃ 이하, 약 500℃ 이하, 약 400℃ 이하 또는 그 미만으로 유지될 수 있다. 이는 인접한 셀들에 대한 영향을 제한할 수 있으며, 이는 그렇지 않으면 인접한 배터리들의 열 폭주를 야기할 수 있는 더 높은 온도들을 견딜 수 없을 수 있다. 따라서, 배터리들은 본 기술의 일부 실시예들에서 서로 더 가깝게, 또는 인접한 배터리들 사이의 더 적은 절연으로 이격될 수 있다.
배터리 셀들을 주변의 구조적 컴포넌트들에 커플링시킴으로써, 배터리 셀들로부터의 열 전달이 추가로 개선될 수 있고, 더 적은 절연이 팩 내에 통합될 수 있으며, 이는 체적 에너지 밀도를 추가로 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 덮개(125)는 열 계면 재료(140)를 이용하여 각각의 배터리 셀(105)의 제1 표면과 커플링될 수 있다. 열 계면 재료(140)는 둘 모두의 세트들 또는 모든 세트들의 각각의 배터리 셀(105)과 직접 접촉할 수 있고, 반대편 표면 상의 덮개(125)와 접촉할 수 있다. 유사하게, 일부 실시예들에서, 베이스(130)는 제1 표면의 반대편에 있는 각각의 배터리 셀(105)의 제2 표면과 커플링될 수 있다. 베이스(130)는 열 계면 재료(145)를 사용하여 배터리 셀들과 커플링될 수 있다. 다시, 열 계면 재료(145)는 배터리 팩의 각각의 배터리 셀(105)과 직접 접촉할 수 있고, 반대편 표면 상의 베이스(130)와 접촉할 수 있다. 아래에서 설명될 바와 같이, 베이스(130)는 열 교환기이거나 이를 포함할 수 있고, 따라서 배터리 셀들과 베이스 사이의 더 직접적인 접촉은 동작 동안 배터리 셀들로부터의 열 전달을 추가로 용이하게 할 수 있다.
본 기술의 일부 실시예들에서, 유연성 패드(compliant pad)(150)는 각각의 배터리 셀과 인접한 배터리 셀들 사이 뿐만 아니라 배터리 셀들과 측방향 부재들 사이에 위치될 수 있다. 배터리 셀들이 그들의 수명 동안 사이클링(cycle)됨에 따라, 셀들은 셀이 가열됨에 따라 정상 동작 동안 뿐만 아니라 시간에 걸쳐 팽윤(swell)될 수 있다. 셀들이 특정 구조물 내에 견고하게 압축되거나 포함될 때, 셀들은 감소된 사이클 수명을 가질 수 있다. 그러나, 본 기술은, 시간에 걸친 배터리 셀들의 팽윤을 수용하기 위한 일정 양의 편향 또는 압축을 제공할 뿐만 아니라 인접한 셀 블록들 사이의 열 전달을 감소시키거나 제한하도록 구성된 유연성 패드들 또는 절연을 포함할 수 있다. 유연성 패드들(150)은 구조물 내의 임의의 갭들을 제한하기 위해 각각의 배터리 셀 사이의 공간을 완전히 점유하도록 구성될 수 있다. 그러나, 단열 재료는 시간에 걸친 배터리 팽윤을 수용하기 위해 그의 두께의 최대 또는 약 50% 이상의 압축을 수용하도록 구성될 수 있다. 그러한 수용을 제공하지 않을 수 있는 종래의 기술과 달리, 본 기술은 각각의 셀 블록 내의 배터리 팽윤의 통합된 수용에 기초하여 더 긴 배터리 수명 사이클들을 생성할 수 있고, 셀 두께 허용오차를 수용할 수 있다.
각각의 측면 빔 및 배터리 셀들 사이에, 밀봉 폼(sealing foam)(155) 또는 패드가 통합될 수 있으며, 이는 측면 빔 및 배터리 셀들의 완전한 안착을 보장하고, 컴포넌트들 사이의 임의의 갭들을 제한하거나 방지할 수 있다. 단부 빔들(160a 및 160b)은 팩 구조물을 완성하기 위해 배터리 팩의 종방향 단부들에서 배터리 셀들에 대해 커플링될 수 있다. 예시된 바와 같이, 단부 빔들(160)은 반부(half)들 또는 세그먼트들로 형성될 수 있으며, 이는 배터리 셀들의 각각의 세트와 커플링될 수 있다. 이는 배터리 세트가 완전히 형성되게 허용하여, 단부 빔들을 포함하고, 뒤이어 배터리 팩의 종방향 빔들 및 측면 빔들과 같은 구조적 빔들과 연결된다.
유연성 패드들(150) 및/또는 밀봉 폼(155)은 열 전달을 감소시키도록 의도될 수 있으며, 약 0.5 W/m·K 이하의 열 전도율에 의해 특징지어질 수 있고, 약 0.4 W/m·K 이하, 약 0.3 W/m·K 이하, 약 0.2 W/m·K 이하, 약 0.1 W/m·K 이하, 약 0.05 W/m·K 이하, 또는 그 미만의 열 전도율에 의해 특징지어질 수 있다. 패드들은 임의의 수의 절연성 재료들일 수 있거나 이들을 포함할 수 있으며, 다양한 금속들의 산화물들을 포함할 수 있는 열 저항성 블랭킷들, 매트들, 및 다른 재료들 뿐만 아니라 언급된 열 전도율 수들 중 임의의 것에 기여할 수 있는 다른 절연성 재료들을 포함할 수 있다. 인접한 셀들로부터 멀어지는 열의 분배 때문에, 본 기술은 셀들 사이의 절연의 감소를 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 각각의 배터리 셀 사이에 제공된 절연의 양은 두께가 약 2 cm 이하일 수 있고, 일부 실시예들에서 약 1 cm 이하, 약 8 mm 이하, 약 6 mm 이하, 약 5 mm 이하, 약 4 mm 이하, 약 3 mm 이하, 또는 약 2 mm 이하, 또는 그 미만일 수 있다. 감소된 절연은 배터리 팩의 부가적인 체적에 기여할 수 있으며, 이는 부가적인 또는 더 큰 배터리 셀들을 통합하여 전체 용량을 증가시키는 데 사용될 수 있다.
열 계면 재료(140) 및/또는 열 계면 재료(145)는 열 전달을 증가시키도록 의도될 수 있으며, 약 0.5 W/m·K 이상의 열 전도율에 의해 특징지어질 수 있고, 약 1 W/m·K 이상, 약 2 W/m·K 이상, 약 5 W/m·K 이상, 약 10 W/m·K 이상, 약 25 W/m·K 이상, 또는 그 초과의 열 전도율에 의해 특징지어질 수 있다. 열 계면 재료들은 임의의 수의 열 전도성 재료들이거나 이들을 포함할 수 있으며, 열 페이스트들 또는 그리스, 중합체, 또는 다른 전도성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 열 계면 재료는, 예를 들어 전기 전도성이 아닐 수 있다. 일부 실시예들에서, 셀 블록의 표면이 전기적으로 충전되지 않을 수 있기 때문에, 열 전도율을 또한 증가시킬 수 있는 전기 전도성 페이스트가 사용될 수 있다. 부가적으로, 재료(140) 및/또는 재료(145)는 열 전도성 접착제에 부가하여 또는 그에 대한 대안으로서 구조적 접착제일 수 있다. 이는 팩 내의 전체 패키징 효율을 증가시킬 수 있다. 배터리 팩의 배터리 셀들로부터 멀어지는 열 전달을 용이하게 하기 위해 열 계면 재료들을 이용함으로써, 배터리 셀 온도가 더 낮은 온도들로 유지될 수 있으므로, 이용되는 절연의 양이 감소될 수 있으며, 이는 배터리 셀들에 대한 배터리 팩 내의 사용가능 공간을 다시 증가시킬 수 있다.
종방향 빔들, 측면 빔들, 단부 빔들, 및 측벽들 뿐만 아니라 덮개 및/또는 베이스는 임의의 수의 재료들로 제조될 수 있고, 배터리 팩(100)의 구조적 부재들로서 작용할 수 있다. 따라서, 재료들은 강도, 강성, 및 유연성 사이에서 일부 균형을 제공하는 알루미늄, 강철, 플라스틱 재료들, 또는 복합 재료들이거나 이를 포함할 수 있다. 종방향 빔들 및 측벽들은 또한, 열 폭주를 포함하는 결함 또는 다른 남용 조건들에 있는 배터리 셀 블록들로부터 멀리 일정 양의 열 전도를 제공할 수 있다. 종방향 빔 및 측벽들은 본 기술의 일부 실시예들에서 I-빔들일 수 있다. 이것은 빔들의 길이를 따라 오목한 공간을 생성할 수 있지만, 이러한 공간은 본 기술의 양태들을 수용하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 측벽들은 I-빔 리세스 내에 유연성 패드를 안착시킬 수 있거나, 또는 리세스들은 배터리 셀의 높이가 I-빔의 높이보다 작을 수 있도록 크기설정될 수 있으며, 이는 인접한 배터리 셀들이 유연성 패드에 의해 추가로 수용될 수 있는 갭들을 제한하도록 리세스 내에 안착되게 허용할 수 있다. 측벽들은 또한 보조 시스템들에 대한 구조적 부착 뿐만 아니라 팩이 통합될 수 있는 디바이스 또는 시스템에 대한 부착을 제공할 수 있다.
유사하게, 종방향 빔(110)은 배터리 셀들의 양태들을 수용할 수 있는 빔의 각각의 측면 상의 리세스를 포함할 수 있다. 도 2는 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩(200)의 개략적인 부분 단면도를 도시하며, 이전에 설명된 바와 같이 배터리 팩에 걸쳐, 예컨대 제1 측면 빔으로부터 제2 측면 빔으로 측방향으로 연장되는 단면을 예시할 수 있다. 배터리 팩(200)은 배터리 팩(100)의 임의의 특징부, 컴포넌트, 또는 특성을 포함할 수 있고, 배터리 팩(100) 또는 본 기술에 의해 포함되는 다른 배터리 팩들의 부가적인 특징부들을 예시할 수 있다. 배터리 팩(200)은 이전에 설명된 바와 같이, 배터리 셀들(205) 및 종방향 빔(210)을 포함할 수 있는 완전히 커플링된 컴포넌트들을 예시할 수 있다.
배터리 셀들(205)은 리튬-이온 배터리 셀들과 같은 재충전가능 셀들일 수 있지만, 임의의 배터리 셀들 또는 에너지 저장 디바이스들이 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩들에서 사용될 수 있다. 배터리 셀들(205)은 셀들의 기하학적 구조에 의존하는 다수의 측면 표면들에 의해 특징지어질 수 있다. 도 2는 배터리 팩(200) 내의 직사각형 셀들을 예시하지만, 다른 기하학적 구조들 및 구성들이 또한 포함된다. 예시된 바와 같이, 각각의 배터리 셀(205)은 종방향 빔(210)을 참조하면 측면 표면들에 의해 특징지어질 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀은 배터리 팩의 덮개에 인접한 제1 측면 표면(206)에 의해 특징지어질 수 있다. 열 계면 재료는 이전에 설명된 바와 같이, 각각의 배터리 셀을 덮개와 커플링시킬 수 있다. 이는 각각의 셀이 팩의 부가적인 구조적 부재로서 포함되게 허용할 수 있다. 예를 들어, 주변의 구조적 부재들로부터 셀들을 완전히 분리시킬 수 있는 많은 종래의 기술들과 달리, 본 기술은 팩의 구조적 컴포넌트들로서 배터리 셀들을 포함시킴으로써 팩을 추가로 보강할 수 있다. 배터리 셀(205)은 제1 측면 표면(206)의 반대편에 있는 제2 측면 표면(207)에 의해 특징지어질 수 있다. 제2 측면 표면(207)은 배터리 팩(200)의 베이스에 인접할 수 있고, 열 계면 재료는 이전에 설명된 바와 같이 각각의 배터리 셀을 배터리 팩의 베이스와 커플링시킬 수 있다. 배터리 셀(205)은 제1 측면 표면과 제2 측면 표면 사이에서 수직으로 연장되는 제3 측면 표면(208)에 의해 특징지어질 수 있다. 각각의 배터리 셀의 제3 측면 표면(208)은 종방향 빔(210)을 향할 수 있고, 따라서 셀들의 제1 세트(212a)의 배터리 셀들 및 셀들의 제2 세트(212b)의 배터리 셀들은 배향이 반전될 수 있어서, 각각의 세트에 대한 각각의 셀의 제3 측면은 종방향 빔(210)을 향한다. 배터리 셀(205)은 제3 측면 표면(208)의 반대편에 있는 제4 측면 표면(209)에 의해 추가로 특징지어질 수 있다.
배터리 팩(200)은 배터리 셀들의 제1 세트에 인접한 제1 측면 빔(215)을 포함할 수 있고, 배터리 셀들의 제2 세트에 인접한 제2 측면 빔(217)을 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 각각의 측면 빔은 측면 빔 내에 하나 이상의 플레넘들을 한정할 수 있다. 하나의 비제한적인 예로서, 측면 빔(215)은 측면 빔 내에 한정된 제1 플레넘(220) 및 제2 플레넘(222)을 예시할 수 있다. 각각의 배터리 셀은 셀의 제4 표면(209)에 형성된 벤트(224)를 포함할 수 있으며, 이는 벤트된 배출물들이 벤트로부터 측면 빔 내에 한정된 플레넘 내로 배출되게 허용할 수 있다. 아래에서 추가로 설명될 바와 같이, 인접한 배터리 셀들은 셀(205a) 및 셀(205b)과 유사하게 벤트의 수직 위치를 교번(alternate)할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(205a)은, 예시된 바와 같이 제2 표면(207)에 근접한 배터리 셀의 제4 표면 내에 형성되고, 측면 빔에 형성된 제2 플레넘(222)과 일렬로 이루어질 수 있는 벤트(224a)를 포함할 수 있다. 부가적으로, 배터리 셀(205b)은, 예시된 바와 같이 제1 표면(206)에 근접한 배터리 셀의 제4 표면 내에 형성되고, 측면 빔에 형성된 제1 플레넘(220)과 일렬로 이루어질 수 있는 벤트(224b)를 포함할 수 있다. 인접한 배터리들 사이의 벤트 위치들을 교번함으로써, 더 낮은 열 영향이 특정 남용 이벤트 동안 인접한 배터리 셀들에 제공될 수 있다. 제1 플레넘 및 제2 플레넘은 예시된 바와 같이 측면 빔 내의 교차 부재에 의해 서로 유동적으로 격리될 수 있으며, 이는 2개의 인접한 배터리들이 측면 빔 내에서 재료들을 서로 분리시킴으로써, 가열된 배출물 재료들을 배출하면 영향을 추가로 제한할 수 있다.
배터리 팩(200)은 또한, 이전에 설명된 바와 같이 배터리 셀들의 제1 표면들(206)과 커플링되고, 밀봉 부재로서 동작하는 것에 부가하여 팩의 구조적 부재로서 동작할 수 있는 덮개(225)를 포함할 수 있다. 부가적으로, 배터리 팩(200)은 이전에 설명된 바와 같이 배터리 셀들의 제2 표면들(207)과 커플링된 베이스(230)를 포함할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 베이스(230)는 동작 동안 배터리 셀들로부터의 열 전달을 용이하게 하기 위한 열 교환기이거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 베이스(230)는 종방향 빔(210)의 길이에 직각으로 연장되는 하나 이상의 유체 채널들(232)을 한정할 수 있다. 각각의 측면 빔을 통해, 유입/배출 포트(235)는 채널들 내에서 유동될 수 있는 열 전달 유체를 전달하거나 회수하기 위해 베이스 부재로부터 연장될 수 있다. 아래에서 설명될 바와 같이, 유입/배출 포트(235)는 배터리 팩을 통한 유동 경로를 따라 종방향으로 그리고 유체 채널들(232)을 통해 열 전달 유체를 유동시킬 수 있으며, 이는 이어서, 다른 유입/배출 포트에서 열 전달 유체를 회수하기 전에 반대편 측면 빔에서 유동 경로를 따라 열 전달 유체를 지향시킬 수 있다.
본 기술의 일부 실시예들에서, 덮개(225)는 또한 유사한 열 교환기이거나 이를 포함하거나 또는 유사한 유체 채널들을 한정할 수 있으며, 이는 배터리 팩을 통한 열 전달을 추가로 개선시키기 위해 베이스 열 교환기와 함께 이용될 수 있다. 부가적으로, 예를 들어, 덮개 열 교환기는 통합될 때, 베이스 열 교환기로부터 유체를 수용할 수 있거나 또는 그 반대의 경우도 가능할 수 있으며, 덮개에 한정된 유체 채널들을 통해 배터리 셀들의 제1 표면에 걸쳐 열 전달 유체를 다시 전달할 수 있다. 열 전달 유체는 베이스 내에서와 반대 방향으로 지향될 수 있으며, 이는 베이스를 통한 단일 방향으로의 유체의 유동에 의해 야기되는 배터리 팩에 걸친 온도 구배를 감소시킬 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 일부 실시예들에서, 열 전달 유체를 위한 펌프 또는 전달 시스템은 배터리 팩에 걸친 구배를 제한하거나 감소시키기 위해 규칙적인 간격들로 유동을 반전시킬 수 있다.
배터리 팩(200)은 또한 종방향 빔(210)이 I-빔인 일 실시예를 예시한다. 이전에 논의된 바와 같이, 배터리 단자들(240)은 각각의 배터리 셀의 제3 표면(208)으로부터 종방향 빔(210)을 향해 연장될 수 있다. 배터리 단자들은 배터리 셀들이 종방향 빔과 얼마나 동일 평면으로 통합될 수 있는지를 제한할 수 있다. 그러나, I-빔 구조물이 빔의 각각의 측면 상에 한정된 리세스들을 제공할 수 있기 때문에, 배터리 단자들은 리세스 내에 위치될 수 있으며, 이는 배터리 셀들이 배터리 팩 내에 더 단단히 패키징되게 허용할 수 있다. 버스바(busbar)들은 종방향 빔에 인접하게 연장될 수 있고, 각각의 배터리 세트를 직렬로 커플링시키는 배터리 팩의 길이를 연장시킬 수 있지만, 평행 구성들이 유사하게 포함될 수 있다. 이어서, 배터리 팩의 배터리 세트들은 배터리 팩의 전압을 증가시키기 위해 직렬로 또는 설정된 전압에서 에너지 밀도를 증가시키기 위해 병렬로 함께 커플링될 수 있다. 아래에서 설명될 바와 같이, 전기적 커플링은 덮개(225)를 통해 또는 팩의 단부를 통해 연장될 수 있다.
배터리 팩의 구조적 셋업의 일부로서 배터리 셀들을 이용함으로써 설명된 바와 같이 배터리 팩의 컴포넌트들 및 절연을 제한함으로써, 그리고 도시된 바와 같이 컴포넌트들 사이의 허용오차들을 감소시킴으로써, 배터리 팩의 체적 에너지 밀도 및 특정 에너지는 배터리 셀들과 연관된 팩의 체적을 증가시킴으로써 종래의 기술들에 비해 개선될 수 있다. 예를 들어, 본 기술의 일부 실시예들에서, 배터리 셀들은 배터리 팩의 체적의 약 50% 이상을 고려할 수 있고, 배터리 팩의 체적의 약 55% 이상, 배터리 팩의 체적의 약 60% 이상, 배터리 팩의 체적의 약 65% 이상, 배터리 팩의 체적의 약 70% 이상, 배터리 팩의 체적의 약 75% 이상, 배터리 팩의 체적의 약 80% 이상, 또는 그 초과를 고려할 수 있다. 이는 더 작은 배터리 팩들이 전자 디바이스들 및 기계들에서 이용되게 허용할 수 있고, 배터리 팩들과 연관된 중량을 감소시킬 수 있다.
도 3은 본 기술의 일부 실시예들에 따른, 배터리 팩들에서 사용될 수 있는 베이스 부재(300)의 개략적인 등각도를 도시한다. 베이스 부재(300)는 본 개시내용의 다른 곳에서 설명된 배터리 팩들과 함께 포함될 수 있고, 본 기술의 일부 실시예들에 따른 베이스 부재들의 부가적인 특징부들을 예시할 수 있다. 베이스 부재(300)는 베이스 부재를 형성하기 위해 함께 접합, 용접 또는 달리 커플링될 수 있는 하나 이상의 섹션들을 포함할 수 있다. 각각의 섹션은 베이스 부재에 걸쳐 연장되는 유체 채널들을 제공하도록 압출되거나 달리 형성될 수 있다. 각각의 채널은 베이스 내에서 유동적으로 격리되어, 베이스 내의 유체 흐름을 제어하고, 배터리 셀들로부터 격리된 열 전달 유체를 유지할 수 있다. 유체 채널들 사이에서, 베이스 부재(300)는 하나 이상의 리세스들(305)을 한정할 수 있다. 이러한 리세스들은 배터리 셀들 사이에 측벽들을 안착시킬 수 있으며, 이는 셀들이 베이스에 대해, 또는 이전에 설명된 바와 같이 베이스와 각각의 배터리 셀 사이에 커플링된 열 계면 재료에 대해 동일 평면으로 안착되게 허용할 수 있다. 베이스 부재(300)는 재료들 및 구성에 기초하여 배터리 팩에 대한 외부 지지부 및 보호 부재 뿐만 아니라 열 교환기 둘 모두로서 동작할 수 있다. 이들 특징부들을 단일 컴포넌트로 결합함으로써, 추가적인 공간 절약들이 제공될 수 있다.
예시된 바와 같이, 베이스 부재(300)는 베이스 부재(300)로부터 열 전달 유체를 전달하고 회수하기 위한 유입/배출 포트(310)를 포함할 수 있다. 보기의 용이함을 위해 베이스 부재로부터 제거된 매니폴드(315)는 매니폴드를 따라 연장되는 채널(318)을 한정할 수 있으며, 이는 베이스 부재의 길이를 따라 열 전달 유체를 전달할 수 있다. 예시된 바와 같이, 매니폴드 채널(318)은 길이를 따라 체적 또는 폭이 증가할 수 있고, 반대편 매니폴드는 형성된 역방향 채널을 가질 수 있다. 이러한 채널들은 베이스 부재의 종방향을 따라 베이스 부재를 통해 각각의 유체 채널에서 열 전달 유체의 더 동일한 전도도를 생성하도록 협력할 수 있으며, 이는 배터리 팩의 각각의 배터리 셀로부터의 더 균일한 열 전달을 용이하게 할 수 있다.
도 4는 본 기술의 일부 실시예들에 따른, 배터리 팩에서 사용하기 위한 베이스 부재(300)의 개략적인 부분 단면도를 도시하고, 베이스 부재(300) 및 베이스 부재를 통해 연장되는 유체 채널들의 부가적인 특징부들을 예시할 수 있다. 예시된 바와 같이, 유체 채널들(405)은 베이스 부재 내에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 유체 채널들(405)은 압출된 금속일 수 있는 베이스 부재 섹션들과 일체로 형성될 수 있다. 따라서, 채널들은 각각 서로 그리고 배터리 셀들로부터 유동적으로 격리될 수 있으며, 배터리 셀들은 베이스 부재 상에 안착되거나, 또는 열 계면 재료를 갖는 베이스 부재와 커플링될 수 있다. 이전에 설명된 바와 같이, 리세스들(305)은 유체 채널들(405) 사이에 형성될 수 있다. 따라서, 베이스 부재 내에 형성된 채널들(405) 내에서 유체 격리를 유지하면서, 측벽들이 리세스들(305) 내에 안착될 수 있다. 격리된 채널들의 이러한 형성은 또한 열 교환기가 견딜 수 있는 압력 임계치를 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 일부 실시예들에서, 시스템에서 사용될 수 있는 열 전달 유체들은 수성 유체들을 포함할 수 있고, 예컨대 글리콜 또는 다른 재료들 뿐만 아니라, 베이스 부재 내의 압력 하에서 유지될 수 있는 냉매 및 연관된 냉매 루프를 포함할 수 있다.
도 5는 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩에 대한 덮개(500)의 개략적인 부분도를 도시한다. 이전에 설명된 바와 같이, 전력 모듈 또는 전자 모듈은 본 기술의 일부 실시예들에서 덮개 상에 안착될 수 있다. 덮개는 전기 인터페이스(505)가 연장될 수 있게 하는 접근부를 한정할 수 있다. 전기 인터페이스(505)는 배터리 셀들에 대한 접근부를 위한 전기적 커플링을 제공하는 하나 이상의 커넥터들을 포함할 수 있다. 덮개는 덮개로부터 돌출되고 전기 인터페이스(505) 주위로 연장되는 보스(boss)(510)를 포함할 수 있다. 보스는 팩 구조물 내로의 침입을 제한하기 위한 환경 밀봉부를 포함할 수 있다. 커넥터들은 개별 배터리 셀들과의 전기적 커플링을 제공할 수 있는 하나 이상의 고전압 버스 연결들 뿐만 아니라 배터리 셀들에 대한 임의의 다른 전력 또는 센서 연결들을 포함할 수 있다.
도 6은 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩(600)의 일부의 개략적인 부분 단면도를 도시하고, 예컨대 다수의 배터리 셀들 및 측벽들을 통해 배터리 팩의 일부에 걸쳐 종방향으로 연장되는 단면을 예시할 수 있다. 배터리 팩(600)은 이전에 설명된 배터리 팩들의 임의의 특징부, 컴포넌트, 또는 특성을 포함할 수 있고, 다른 곳에서 설명된 임의의 배터리 팩 또는 본 기술에 의해 포함되는 다른 배터리 팩들의 부가적인 특징부들을 예시할 수 있다. 배터리 팩(600)은 이전에 설명된 바와 같이 배터리 셀들(605)을 포함할 수 있는 완전히 커플링된 컴포넌트들을 예시할 수 있다. 배터리 팩(600)은 이전에 설명된 바와 같이 배터리 셀들의 제1 표면과 커플링될 수 있는 덮개(610)를 포함할 수 있다. 유사하게, 배터리 팩(600)은 위에서 논의된 바와 같이 열 교환 유체를 전달하기 위한 복수의 유체 채널들을 한정할 수 있는 베이스(615)를 포함할 수 있다.
배터리 팩(600)은 이전에 설명된 바와 같이 하나 이상의 측벽들(620)을 포함할 수 있으며, 이들은 배터리 셀들 사이의 간격들에서 연장될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 측벽들(620)은 리세스들(618)에서 베이스(615) 내에 안착될 수 있으며, 이는 배터리 셀들(605)이 배터리 셀들을 베이스와 커플링시키는 베이스 부재 또는 열 계면 재료와 더 가까이 접촉하여 배치되게 허용할 수 있다. 일부 측벽들(620)은 또한, 예시된 바와 같이 덮개(610)를 통해 연장될 수 있는 인터페이스(622) 또는 리셉터클을 포함할 수 있다. 인터페이스들은 전자 모듈(625)과 같은 컴포넌트들의 기계적 커플링을 허용할 수 있다. 인터페이스들은 주변 구조물 내에 배터리 팩을 커플링시키는 데 추가로 사용될 수 있으며, 이는 팩 강성 및 보강을 추가로 개선시킬 수 있다. 예시된 바와 같이, 전자 모듈은 배터리 팩의 덮개 상에 안착될 수 있고, 이전에 설명된 바와 같이 덮개를 통해 연장되는 커넥터들과 커플링될 수 있다. 전자 모듈의 이동을 제한하기 위해, 모듈은 인터페이스들(622)을 이용하여 측벽들과 커플링될 수 있다. 전자 모듈은 배터리 셀들과의 전기 연결들을 포함할 수 있고, 배터리 팩 동작과 연관된 부가적인 모니터링, 감지, 및 제어 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
도 7은 본 기술의 일부 실시예들에 따른 배터리 팩(700)의 측면 빔을 통한 개략적인 부분 단면도를 도시하고, 예컨대 측면 빔을 따라 배터리 팩의 일부에 걸쳐 종방향으로 연장되는 단면을 예시할 수 있다. 배터리 팩(700)은 이전에 설명된 배터리 팩들의 임의의 특징부, 컴포넌트, 또는 특성을 포함할 수 있고, 다른 곳에서 설명된 임의의 배터리 팩 또는 본 기술에 의해 포함되는 다른 배터리 팩들의 부가적인 특징부들을 예시할 수 있다. 배터리 팩(700)은 일부 실시예들에 따른, 측면 빔들 내에 형성된 플레넘 구조물의 부가적인 특징부들을 예시할 수 있다. 예를 들어, 측면 빔(705)은 제1 플레넘(710) 및 제2 플레넘(715)을 한정할 수 있으며, 이들은 분할기(720)를 이용하여 측면 빔을 따라 유체 분리될 수 있다. 플레넘들은 배터리 셀들의 벤트들에 인접하게 형성될 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 각각의 배터리 셀은 인접한 배터리 셀들로부터의 교번 위치에 형성된 벤트를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 배터리 셀이 제1 플레넘(710)으로 배출될 수 있는 덮개 부근의 벤트를 포함하는 반면, 인접한 배터리 셀은 제2 플레넘(715)으로 배출될 수 있는 베이스 부근의 벤트를 포함할 수 있다. 이러한 별개의 벤트 플레넘들은 인접한 배터리들과의 배출물 재료들의 상호작용을 제한할 수 있다. 플레넘들은 단부 빔에 위치되거나 측면 빔에 통합되는 팩 벤트로 연장될 수 있으며, 이는 임의의 배출물 재료들이 배터리 팩을 떠나게 허용할 수 있다. 본 기술의 실시예들에 따른 구조적 컴포넌트들 및 구성들을 이용함으로써, 부가적인 패키징 및 절연 재료들로 인한 체적의 증가들을 제한하면서, 개선된 구조적 무결성을 갖는 배터리 팩들이 생성될 수 있다.
이전의 설명에서, 설명의 목적들을 위해, 본 기술의 다양한 실시예들의 이해를 제공하기 위해 다수의 세부사항들이 기재되어 있다. 그러나, 특정한 실시예들이 이러한 세부사항들 중 일부 없이 또는 부가적인 세부사항들을 이용하여 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.
몇몇 실시예들을 개시하였지만, 실시예들의 사상을 벗어나지 않으면서 다양한 변형들, 대안적인 구조들, 및 균등물들이 사용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 인식될 것이다. 부가적으로, 본 기술을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 다수의 널리 알려진 프로세스들 및 요소들이 설명되지 않았다. 따라서, 위의 설명이 본 기술의 범주를 제한하는 것으로 취해지지 않아야 한다.
값들의 범위가 제공되는 경우, 그 범위의 상한 및 하한 사이에 있는, 문맥이 명확히 달리 지시하지 않는 한, 하한의 단위의 최소 분율(smallest fraction)까지의, 각각의 개재 값이 또한 구체적으로 개시된다는 것이 이해된다. 언급된 범위 내의 임의의 언급된 값들 또는 언급되지 않은 개재 값들과 그 언급된 범위 내의 임의의 다른 언급된 또는 개재 값 사이의 임의의 보다 좁은 범위가 포함된다. 그 보다 작은 범위들의 상한 및 하한이 독립적으로 그 범위에 포함되거나 제외될 수 있으며 보다 작은 범위들에 어느 한 한계가 포함되거나 어느 한계도 포함되지 않거나 양쪽 한계들이 포함되는 각각의 범위가 또한, 언급된 범위에서의 임의의 구체적으로 제외된 한계에 따라, 본 기술 내에 포함된다. 언급된 범위가 한계들 중 하나 또는 둘 다를 포함하는 경우, 그 포함된 한계들 중 어느 하나 또는 둘 다를 제외한 범위들이 또한 포함된다. 다수의 값들이 리스트에 제공되는 경우, 그 값들 중 임의의 것을 포함하거나 그에 기초하는 임의의 범위가 이와 유사하게 구체적으로 개시된다.
본 명세서에서 그리고 첨부된 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들은, 문맥이 명확히 달리 지시하지 않는 한, 복수의 지시대상(reference)들을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "재료"에 대한 언급은 복수의 그러한 재료들을 포함하고, "셀"에 대한 언급은 하나 이상의 셀들 및 당업자들에게 알려진 그들의 등가물들에 대한 언급 등을 포함한다.
또한, 단어들 "포함한다(comprise(s))", "포함하는(comprising)", "함유한다(contain(s))", "함유하는(containing)", "포함한다(include(s))", 및 "포함하는(including)"은, 본 명세서에서 그리고 이하의 청구범위에서 사용될 때, 언급된 특징들, 정수들, 컴포넌트들, 또는 동작들의 존재를 명시하려는 것으로 의도되지만, 이들이 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 컴포넌트들, 동작들, 행위들, 또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다.

Claims (20)

  1. 배터리 팩으로서,
    종방향 빔;
    상기 종방향 빔에 인접하게 배치된 복수의 배터리 셀들 - 각각의 배터리 셀은,
    제1 표면,
    상기 제1 표면의 반대편에 있는 제2 표면,
    상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에서 수직으로 연장되는 제3 표면 - 상기 제3 표면은 상기 종방향 빔을 향하고, 배터리 단자들은 상기 제3 표면으로부터 연장됨 -, 및
    상기 제3 표면의 반대편에 있는 제4 표면에 의해 특징지어짐 -;
    상기 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 상기 제1 표면과 커플링된 덮개; 및
    상기 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 상기 제2 표면과 커플링된 베이스(base)를 포함하는, 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    2개의 배터리 셀들 사이에서 상기 종방향 빔으로부터 연장되는 측벽을 더 포함하는, 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀들은 배터리 셀들의 제1 세트 및 배터리 셀들의 제2 세트를 포함하고, 상기 종방향 빔은 제1 종방향 표면 및 상기 제1 종방향 표면의 반대편에 있는 제2 종방향 표면에 의해 특징지어지고, 상기 배터리 셀들의 제1 세트의 각각의 배터리 셀의 상기 제3 표면은 상기 종방향 빔의 상기 제1 종방향 표면을 향하고, 상기 배터리 셀들의 제2 세트의 각각의 배터리 셀의 상기 제3 표면은 상기 종방향 빔의 상기 제2 종방향 표면을 향하는, 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 셀들의 제1 세트의 각각의 배터리 셀의 상기 제4 표면에 인접하게 위치된 제1 측면 빔; 및
    상기 배터리 셀들의 제2 세트의 각각의 배터리 셀의 상기 제4 표면에 인접하게 위치된 제2 측면 빔을 더 포함하는, 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀은 상기 배터리 셀의 상기 제4 표면에 벤트(vent)를 포함하는, 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀들 중 제1 배터리 셀은 상기 제1 배터리 셀의 상기 제1 표면에 근접한 상기 제4 표면에 한정된 상기 벤트를 갖고, 상기 제1 배터리 셀에 인접한 상기 복수의 배터리 셀들 중 제2 배터리 셀은 상기 제2 배터리 셀의 상기 제2 표면에 근접한 상기 제4 표면에 한정된 상기 벤트를 갖는, 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 배터리 셀 및 상기 제2 배터리 셀에 인접한 측면 빔은 제1 플레넘(plenum) 및 제2 플레넘을 한정하고, 상기 제1 플레넘은 상기 제1 배터리 셀의 상기 벤트와 정렬되고, 상기 제2 플레넘은 상기 제2 배터리 셀의 상기 벤트와 정렬되는, 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서, 상기 베이스는 열 교환기이고, 상기 베이스는 상기 종방향 빔에 직각으로 연장되는 유체 채널들을 한정하는, 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서, 상기 종방향 빔은 I-빔을 포함하고, 상기 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 상기 배터리 단자들은 상기 I-빔의 표면을 따라 내부에 한정된 리세스 내에서 연장되는, 배터리 팩.
  10. 배터리 팩으로서,
    제1 종방향 표면 및 상기 제1 종방향 표면의 반대편에 있는 제2 종방향 표면에 의해 특징지어진 종방향 빔;
    제1 측면 빔;
    제2 측면 빔;
    복수의 배터리 셀들 - 상기 복수의 배터리 셀들은,
    상기 제1 측면 빔과 상기 종방향 빔의 상기 제1 종방향 표면 사이에 배치된 배터리 셀들의 제1 세트;
    상기 제2 측면 빔과 상기 종방향 빔의 상기 제2 종방향 표면 사이에 배치된 배터리 셀들의 제2 세트를 포함하고, 상기 배터리 셀들의 제1 세트의 각각의 배터리 셀 및 상기 배터리 셀들의 제2 세트의 각각의 배터리 셀은,
    제1 표면,
    상기 제1 표면의 반대편에 있는 제2 표면,
    상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에서 수직으로 연장되는 제3 표면 - 상기 제3 표면은 상기 종방향 빔을 향하고, 배터리 단자들은 상기 제3 표면으로부터 연장됨 -, 및
    상기 제3 표면의 반대편에 있는 제4 표면에 의해 특징지어짐 -;
    상기 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 상기 제1 표면과 커플링된 덮개; 및
    상기 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 상기 제2 표면과 커플링된 베이스를 포함하는, 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 측면 빔과 상기 종방향 빔의 상기 제1 표면 사이에서 연장되는 제1 측벽 - 상기 제1 측벽은 상기 배터리 셀들의 제1 세트 중 2개의 배터리 셀들 사이에서 연장됨 -; 및
    상기 제2 측면 빔과 상기 종방향 빔의 상기 제2 표면 사이에서 연장되는 제2 측벽 - 상기 제2 측벽은 상기 배터리 셀들의 제2 세트 중 2개의 배터리 셀들 사이에서 연장됨 -을 더 포함하는, 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서, 상기 베이스는 열 교환기이고, 상기 베이스는 상기 종방향 빔에 직각으로 연장되는 유체 채널들을 한정하는, 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서, 상기 베이스는 상기 베이스 내에 리세스를 한정하고, 상기 제1 측벽은 상기 베이스 내에 한정된 상기 리세스 내에 안착되는, 배터리 팩.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 덮개를 통해 연장되고, 상기 배터리 팩의 상기 복수의 배터리 셀들과 커플링되는 전기 인터페이스를 더 포함하는, 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 덮개 상에 안착되고, 상기 전기 인터페이스와 전기적으로 커플링된 전자 모듈을 더 포함하며,
    상기 전자 모듈은 상기 제1 측벽과 커플링되는, 배터리 팩.
  16. 제10항에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀은 상기 배터리 셀의 상기 제4 표면에 벤트를 포함하는, 배터리 팩.
  17. 제16항에 있어서, 상기 배터리 셀들의 제1 세트 중 제1 배터리 셀은 상기 제1 배터리 셀의 상기 제1 표면에 근접한 상기 제4 표면에 한정된 상기 벤트를 갖고, 상기 제1 배터리 셀에 인접한 상기 배터리 셀들의 제1 세트 중 제2 배터리 셀은 상기 제2 배터리 셀의 상기 제2 표면에 근접한 상기 제4 표면에 한정된 상기 벤트를 갖는, 배터리 팩.
  18. 제17항에 있어서, 상기 배터리 셀들의 제1 세트에 인접한 제1 측면 빔은 제1 플레넘 및 제2 플레넘을 한정하고, 상기 제1 플레넘은 상기 제1 배터리 셀의 상기 벤트와 정렬되고, 상기 제2 플레넘은 상기 제2 배터리 셀의 상기 벤트와 정렬되는, 배터리 팩.
  19. 제10항에 있어서, 상기 배터리 셀들은 상기 배터리 팩의 체적의 적어도 약 60%를 포함하는, 배터리 팩.
  20. 배터리 팩으로서,
    제1 종방향 표면 및 상기 제1 종방향 표면의 반대편에 있는 제2 종방향 표면에 의해 특징지어진 종방향 빔;
    복수의 배터리 셀들 - 상기 복수의 배터리 셀들은,
    상기 종방향 빔의 상기 제1 종방향 표면에 인접하게 배치된 배터리 셀들의 제1 세트;
    상기 종방향 빔의 상기 제2 종방향 표면에 인접하게 배치된 배터리 셀들의 제2 세트를 포함하고, 상기 배터리 셀들의 제1 세트의 각각의 배터리 셀 및 상기 배터리 셀들의 제2 세트의 각각의 배터리 셀은,
    제1 표면,
    상기 제1 표면의 반대편에 있는 제2 표면,
    상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에서 수직으로 연장되는 제3 표면 - 상기 제3 표면은 상기 종방향 빔을 향하고, 배터리 단자들은 상기 제3 표면으로부터 연장됨 -, 및
    상기 제3 표면의 반대편에 있는 제4 표면에 의해 특징지어짐 -;
    상기 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 상기 제1 표면과 커플링된 덮개; 및
    상기 복수의 배터리 셀들의 각각의 배터리 셀의 상기 제2 표면과 커플링된 베이스를 포함하며,
    상기 베이스는 상기 베이스 내에 복수의 열 교환 유체 채널들을 한정하는, 배터리 팩.
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