KR20230084222A - 배터리 조립체, 그의 구성 요소들 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
배터리 셀, 배터리 셀 유닛, 배터리 모듈 및 배터리 조립체에 대해 설명한다. 이와 같은 구성 요소들의 셀들은 경사벽을 포함하는 각형 셀 하우징을 포함한다. 실질적으로 평면상의 양극 및 음극이 하우징 내에 배치된다. 상기 경사벽은 상기 전극들의 에지와 상기 경사벽의 내부 표면 사이에 상기 하우징 내의 포켓을 규정하며, 상기 포켓은 상기 하우징 내에서 발생되는 가스를 수집하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 경사벽. 통기구는 포켓 근처 하우징의 경사벽에 형성된다. 통기구는 처음에 폐쇄 상태이며 하우징 내부의 압력이 증가하면 개방되도록 구성되어 압력 및/또는 가스가 통기구를 통해 셀 캐비티를 벗어날 수 있다. 배터리 셀 유닛들, 배터리 모듈들 및 배터리 조립체들은 이와 같은 셀들을 포함할 수 있다.
Description
본 출원은 2020년 10월 5일에 출원된 미국 가출원 제63/087,446호에 대한 우선권과 이익을 주장하며, 이는 전체적으로 본 명세서에 참고로 통합된다.
본 발명의 실시예들은 배터리, 배터리 조립체 및 그의 구성 요소들에 관한 것이다.
배터리는 전력을 저장하고 공급하기 위해 사용된다. 배터리는 고율 방전 분야와 같이 보다 많은 양의 전력을 저장하고 공급하기 위해 사용되는 다수의 배터리들을 갖는 조립체로 결합될 수 있다. 고율 방전 배터리 조립체는, 컴팩트한 물리적 저장 및 사용을 위해 프레임 및 지지부와 함께 다수의 배터리 유닛 또는 셀들을 포함할 수 있다. 높은 방전율 동안, 상당한 양의 열이 발생할 수 있으므로, 과도한 열로 인한 해로운 영향을 방지하기 위해 냉각 메커니즘이 바람직할 수 있다. 셀 및 배터리 조립체를 위한 개선된 시스템은 안전한 고율 방전 시스템을 가능하게 하기 위해 바람직할 수 있다.
본 발명에 따르면, 셀, 셀 유닛, 배터리 모듈 및 배터리 조립체가 도시되고 기술된다.
일부 실시예에 따르면, 셀들이 제공된다. 셀들은, 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 셀 캐비티를 규정하고, 경사벽을 포함하는 각형 셀 하우징; 셀 하우징의 셀 캐비티 내에 배치되는 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극으로, 상기 적어도 하나의 양극 및 음극은 실질적으로 평면이고 상기 셀 하우징과 실질적으로 유사한 각형을 갖는. 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극; 셀 하우징의 제1 위치에서 적어도 하나의 양극에 연결되는 제1 단자; 셀 하우징의 제2 위치에서 적어도 하나의 음극에 연결되는 제2 단자, 상기 경사벽은 상기 적어도 하나의 양극과 상기 적어도 하나의 음극의 에지와, 상기 경사벽의 내부 표면 사이의 셀 하우징 내의 포켓을 규정하고, 상기 포켓은 상기 셀 하우징 내에서 발생된 가스를 수집하도록 구성되고, 상기 포켓 근처의 셀 하우징의 경사벽의 제3 위치에 형성된 적어도 하나의 통기구를 포함하고, 상기 적어도 하나의 통기구는 상기 셀 캐비티 내의 압력 증가 시 개방되어 압력 및/또는 가스가 상기 적어도 하나의 통기구를 통해 상기 셀 캐비티를 이탈할 수 있도록 구성된다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은 상기 경사벽이 볼록 곡률 및 오목 곡률 중 하나를 포함하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은 셀 하우징이 제1 부분으로부터 제2 부분 방향으로 두께를 갖는 것을 포함할 수 있고, 상기 두께는 0.5 인치 이하이다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은 셀 하우징의 제1 부분과 셀 하우징의 제2 부분이 셀 캐비티를 규정하기 위해 접히는 두 부분들의 단일 시트의 재료인 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은 제1 부분이 용접, 초음파 용접, 접착제, 크림핑, 히트 실링 또는 본딩 중 적어도 하나에 의해 제2 부분에 부착되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은 각각의 플랜지를 포함하고, 제1 부분과 제2 부분의 플랜지는 클램-쉘 구성을 형성하기 위해 접합되거나 힌지로 연결된 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은 각각의 제1 부분 및 제2 부분이 각각 각각의 플랜지를 포함하고, 제1 부분 및 제2 부분의 플랜지가 결합되어 욕조형 또는 기다란 반구 형상을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은, 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극의 각각이 양극과 음극이 교대로 전극 적층체에 배치된 복수의 각각의 전극들을 포함하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은 적어도 하나의 통기구가 셀 하우징의 재료와 일체로 형성되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은 상기 적어도 하나의 통기구 주위에 셀 하우징의 재료 두께보다 작은 재료 두께를 갖는 셀 하우징의 섹션에 의해 규정되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은 상기 경사벽이 적어도 하나의 추가적인 통기구를 포함하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극 각각이 전극 적층체에 배열된 복수의 각각의 전극들을 포함하는 것을 포함할 수 있다, 상기 전극 적층체의 일측과 상기 제1 부분 또는 상기 제2 부분 중 적어도 하나의 부분 사이에 배치된 적어도 하나의 내측 하우징 절연체 요소를 더 포함한다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은 상기 적어도 하나의 내측 하우징 절연체 요소가 폴리올레핀, 불소화 폴리올레핀 또는 이들의 형성된 테이프 중 적어도 하나를 포함하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 셀들의 추가적인 실시예들은 상기 적어도 하나의 양극 및 상기 적어도 하나의 음극 각각이 2개 이상의 전극 군으로 분할된 복수의 각각의 전극들을 포함하고, 상기 셀은 각각의 전극 군과 인접한 전극 군 사이에 배치된 적어도 하나의 분리부를 더 포함한다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은, 상기 적어도 하나의 분리부가 열전도층, 열절연층, 또는 열전도층과 열절연층의 조합을 포함하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은 상기 적어도 하나의 통기구의 통기구가 직선, 곡선 또는 원형의 형상을 갖는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은 상기 적어도 하나의 통기구들의 한 통기구가 적어도 하나의 피크와 적어도 하나의 골을 갖는 파 형상을 갖는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀들의 추가적인 실시예들은 제1 부분이 파우치의 제1 측면이고, 제2 부분이 제1 측면과 제2 측면 사이에 규정된 중간 부분을 갖는 파우치의 제2 측면인 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서,, 셀들의 추가적인 실시예들은, 상기 중간 부분이 상기 제1 및 제2 단자와 상기 적어도 하나의 양극 및 상기 적어도 하나의 음극 사이에 전기적 연결을 허용하도록 구성된 하나 이상의 단자 개구들을 포함하는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 셀 유닛이 제공된다. 상기 셀 유닛은, 셀 하우징 내에 배치되고 제1 단자에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 양극 및 셀 하우징 내에 배치되고 제2 단자와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 음극을 포함하는 셀로서, 상기 제1 단자는 제1 위치에서 셀 하우징으로부터 연장되고 상기 제2 단자는 제2 위치에서 셀 하우징으로부터 연장되는, 셀; 및 상기 셀을 수용 및 지지하도록 구성된 유닛 프레임으로서, 상기 유닛 프레임은 제1 단자 및 제2 단자를 수용하고 이에 대한 액세스를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 개방 구간을 갖고, 상기 유닛 프레임은 상기 적어도 하나의 개방 구간으로부터 멀리 배치된 프레임 상의 오목부를 포함하고, 상기 오목부는 셀로부터의 가스의 누출시에 셀로부터 멀리 가스를 수집하고 유도하도록 구성되고, 상기 유닛 프레임은 상기 프레임 내에 설치될 때 상기 셀과 평면을 이루는 방향으로 치수를 갖고, 상기 치수는 0.05인치 내지 0.5인치 사이를 포함하는, 유닛 프레임을 포함한다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은, 상기 유닛 프레임이 베이스, 제1 아암, 제2 아암 및 상기 적어도 하나의 개방 구간에 의해 규정되는 상기 베이스에 대향하는 개방 단부를 포함한다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은, 유닛 프레임이 아암들의 단부에서 또한 베이스와의 아암들의 접합부에서 복수의 코너들을 규정하고, 상기 유닛 프레임은 각 코너들에 장착 기능부를 포함하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은 셀이 제3 위치에 적어도 하나의 통기구를 포함하고, 상기 적어도 하나의 통기구는 유닛 프레임의 오목부와 실질적으로 정렬되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은 적어도 하나의 통기구가 셀 하우징의 재료와 일체로 형성되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은, 유닛 프레임이 다른 셀 유닛과 맞물리도록 구성된 적어도 하나의 정렬 기능부를 포함하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은 셀 유닛의 일측에 배열된 적어도 하나의 셀 절연체를 포함할 수 있고, 상기 적어도 하나의 셀 절연체는 전기적으로 절연될 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은 적어도 하나의 셀 절연체가 열 전도성인 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은 상기 적어도 하나의 셀 절연체가 폴리이미드 또는 폴리에스테르 중 적어도 하나를 포함하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은 유닛 프레임이 불연성 물질로 형성되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은 셀을 유닛 프레임 내에 유지하기 위해 셀 및 유닛 프레임 주위를 감싸는 유닛 랩 구조체를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은 유닛 랩 구조체가 서로 대향하는 단부에 치형의 기하학적 형상을 갖는 재료의 시트인 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은 셀 및 유닛 프레임을 감싸는 두 시트들의 재료를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은, 유닛 프레임 내에서 셀을 여러번 감싼 단일 시트의 재료를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은, 유닛 랩 구조체의 외면에 적용되는 절연체 요소를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은, 유닛 프레임의 일부 내에서 채널에 의해 규정된 적어도 하나의 에어 갭을 포함하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은, 셀 유닛을 추가적인 다른 셀 유닛들과 함께 조립하기 위한 구조체를 수용하기 위한 관통공을 규정하는 적어도 하나의 장착 기능부를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은, 적어도 하나의 장착 기능부가 보스를 포함하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은, 셀 하우징이 유닛 프레임의 적어도 일부와 중첩되도록 구성된 플랜지를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 셀 유닛들의 추가적인 실시예들은, 플랜지와, 플랜지가 중첩되는 유닛 프레임의 일부사이에 에어 갭이 규정되는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 배터리 모듈이 제공된다. 상기 배터리 모듈은, 이들 사이에 하나 이상의 타이 로드들을 지지하도록 구성되는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트; 상기 하나 이상의 타이 로드에 부착되고 상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트 사이에 압축식으로 로딩되는 복수의 셀 유닛들로서, 각각의 셀 유닛은 유닛 프레임과 이 유닛 프레임 내에 설치되는 셀을 포함하고, 상기 셀은 이 셀의 내부로부터 가스를 멀리 유도하도록 구성되는 통기구를 포함하고, 상기 유닛 프레임은 상기 통기구와 정렬되어 상기 가스를 상기 셀 및 유닛 프레임으로부터 멀리 유도하도록 구성되는 오목부를 포함하고, 상기 각각의 셀 유닛은 절연체 및 상기 셀, 프레임 및 절연체를 감싸는 유닛 랩 구조체를 포함하는, 복수의 셀 유닛들; 상기 복수의 셀 유닛들의 인접 셀 유닛들 사이에 배열된 절연체 요소를 포함하고, 상기 복수의 셀 유닛들의 모든 셀 유닛들은 상기 통기구들이 상기 셀 유닛들의 단자들을 포함하지 않는 셀 유닉의 일측에 있도록 배향된다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 복수의 셀 유닛들은, 적어도 제1 군의 셀 유닛들 및 제2 군의 셀 유닛들을 규정하고, 상기 제1 군의 셀 유닛들과 상기 제2 군의 셀 유닛들 사이에 배치되는 방화벽을 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 배터리 모듈의 추가적인 실시예들은, 방화벽이 하나 이상의 타이 로드들에 장착되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 배터리 모듈들의 추가적인 실시예들은, 상기 절연체 요소가 낮은 열전도성과 낮은 가연성 또는 불연성을 갖는 물질로 형성되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서,, 상기 배터리 모듈들의 추가적인 실시예들은, 복수의 셀 유닛들의 일측을 따라 배열되고, 상기 열전달 장치가 접촉되는 셀 유닛들 사이에 열을 분배하기 위해 적어도 2개의 셀 유닛들의 랩 구조체와 접촉 및 열전달되도록 배치되는 열전달 장치를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 배터리 모듈들의 추가적인 실시예들은, 상기 열전달 장치가 알루미늄, 열분해 흑연, 다이아몬드, 그래핀 또는 구리 중 적어도 하나로 형성되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 배터리 모듈들의 추가적인 실시예들은, 상기 열전달 장치가 하나 이상의 히트 파이프들을 포함하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 배터리 모듈들의 추가적인 실시예들은, 상기 열전도성 접착제에 의해 배터리 모듈에 부착되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 배터리 모듈들의 추가적인 실시예들은, 상기 열전달 장치에 설치된 히터를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 배터리 모듈들의 추가적인 실시예들은, 상기 열전달 장치가 판형 구조 또는 재료의 시트인 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 복수의 셀 유닛은 제2 셀 유닛과 인접한 제1 셀 유닛을 포함하고, 상기 제1 셀 유닛과 인접한 제2 셀 유닛에 의해 트레이 통기구 구조체가 정의되고, 상기 트레이 통기구 구조체는 상기 제1 및 제2 셀 유닛들 중 하나 또는 둘 모두로부터 배출된 가스를 수집하여 유도하도록 구성된다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 배터리 모듈의 추가적인 실시예들은, 상기 복수의 셀 유닛들의 각각의 셀 유닛이, 셀 하우징 내에 배치되고 제1 단자와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 양극 및 셀 하우징 내에 배치되고 제2 단자와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 음극을 포함하는 셀로서, 상기 제1 단자는 제1 위치에서 셀 하우징으로부터 연장되고, 상기 제2 단자는 제2 위치에서 셀 하우징으로부터 연장되는, 셀; 및 상기 셀을 수용하여 지지하도록 구성되고, 상기 제1 단자를 수용하도록 구성되는 제1 개방부 및 상기 제2 단자를 수용하도록 구성되는 제2 개방부를 갖고 그에 대한 액세스를 제공하는 유닛 프레임을 포함한다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기배터리 모듈은, 상기 복수의 셀 유닛들의 각각의 셀 유닛이, 제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분과 제2 부분 사이에 셀 캐비티를 규정하는 셀 하우징;상기 셀 하우징의 셀 캐비티 내에 배치된 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극; 상기 셀 하우징의 제1 위치에서 적어도 하나의 양극에 연결되는 제1 단자; 상기 셀 하우징의 제2 위치에서 적어도 하나의 음극에 연결되는 제2 단자; 상기 셀 하우징의 제3 위치에 형성되는 적어도 하나의 통기구를 포함하고, 상기 적어도 하나의 통기구는 초기에는 폐쇄 상태에 있고 상기 셀 캐비티 내의 압력 증가에 따라 개방되도록 구성되고, 상기 압력 및/또는 가스가 상기 적어도 하나의 통기구를 통해 상기 셀 캐비티를 이탈할 수 있도록 한다.
일부 실시예에 따르면, 배터리 조립체가 제공되며, 상기 배터리 조립체는, 조립체 프레임; 상기 조립체 프레임 내에 배치되는 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈을 포함하고, 상기 각각의 배터리 모듈은, 이들 사이에 하나 이상의 타이 로드들을 지지하도록 구성되는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트, 상기 하나 이상의 타이 로드들에 부착되고 상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트 사이에 압축식으로 로딩되는 복수의 셀 유닛들로서, 각각의 셀 유닛은 유닛 프레임과 이 유닛 프레임 내에 설치되는 셀을 포함하고, 상기 셀은 이 셀의 내부로부터 가스를 멀리 유도하도록 구성되는 통기구를 포함하고, 상기 유닛 프레임은 상기 통기구와 정렬되어 상기 가스를 상기 셀 및 유닛 프레임으로부터 멀리 유도하도록 구성되는 오목부를 포함하고, 각각의 셀 유닛은 절연체 및 상기 셀, 프레임 및 절연체를 감싸는 유닛 랩 구조체를 포함하는, 복수의 셀 유닛들; 및 상기 복수의 셀 유닛들의 인접 셀 유닛들 사이에 배치된 절연체 요소를 포함한다. 복수의 셀 유닛들의 모든 셀 유닛들은, 통기구들이 셀 유닛들의 단자들을 포함하지 않는 셀 유닛들의 일측에 있도록 배향된다. 전기적 커넥터는 상기 제1 배터리 모듈을 상기 제2 배터리 모듈에 전기적으로 연결한다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 배터리 조립체의 추가적인 실시예들은, 조립체 프레임 내에서 제1 배터리 모듈 또는 제2 배터리 모듈 중 적어도 하나를 지지하도록 구성된 하나 이상의 단부 지지 레일들을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 배터리 조립체들의 추가적인 실시예들은, 상기 하나 이상의 단부 지지 레일들은 단면이 엘(eel) 형상을 갖는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 배터리 조립체들의 추가적인 실시예들은, 상기 조립체 프레임 내에서 상기 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈의 각각을 지지하도록 구성된 하나 이상의 중심 지지 레일들을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 배터리 조립체들의 추가적인 실시예들은, 상기 하나 이상의 센터 지지 레일들이 단면이 티(tee) 형상을 갖는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 배터리 조립체의 추가적인 실시예들은, 상기 전기 커넥터가 와이어 또는 버스 바인 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서,, 상기 배터리 조립체들의 추가적인 실시예들은, 상기 복수의 셀 유닛들의 각각의 셀 유닛이, 셀 하우징 내에 배치되고 제1 단자와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 양극 및 셀 하우징 내에 배치되고 제2 단자와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 음극을 포함하는 셀로서, 상기 제1 단자는 제1 위치에서 셀 하우징으로부터 연장되고, 상기 제2 단자는 제2 위치에서 셀 하우징으로부터 연장되는, 셀; 및 상기 셀을 수용하여 지지하도록 구성되고, 상기 제1 단자를 수용하도록 구성되는 제1 개방부 및 상기 제2 단자를 수용하도록 구성되는 제2 개방부를 갖고 그에 대한 액세스를 제공하는 유닛 프레임을 포함한다.
본 명세서에 개시된 하나 이상의 특징들에 부가하여, 또는 대안예로서, 상기 복수의 셀 유닛들의 각각의 셀 유닛은, 제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분과 제2 부분 사이에 셀 캐비티를 규정하는 셀 하우징; 상기 셀 하우징의 셀 캐비티 내에 배치된 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극; 상기 셀 하우징의 제1 위치에서 적어도 하나의 양극에 연결되는 제1 단자; 상기 셀 하우징의 제2 위치에서 적어도 하나의 음극에 연결되는 제2 단자; 상기 셀 하우징의 제3 위치에 형성되는 적어도 하나의 통기구를 포함하고, 상기 적어도 하나의 통기구는 초기에 폐쇄 상태에 있고, 상기 셀 캐비티 내의 압력 증가에 따라 개방되도록 구성되고, 상기 압력 및/또는 가스가 상기 적어도 하나의 통기구를 통해 상기 셀 캐비티를 이탈하도록 한다.
상기 특징 및 요소들은 특별한 언급이 없는 한 비배타적으로 다양한 조합으로 조합될 수 있다. 이와 같은 특징들과 요소들 및 그의 작동은 이하의 개시와 첨부된 도면들에 비추어 더욱 명확해질 것이다. 그러나, 다음의 개시와 도면은 본질적으로 설명적이고 비제한적인 것임을 이해해야 한다.
명세서 말미의 청구항들에 있어서 발명으로 간주되는 요지는 특히 지적되고 명확하게 청구되는 것이고. 본 발명의 전술한 특징 및 기타 특징 및 이점은 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다:
도 1은, 본 발명의 실시예들을 통합할 수 있거나 본 발명의 실시예들에 통합될 수 있는 셀의 개략도이다;
도 2a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀을 개략적으로 도시한다;
도 2b는, 도 2a의 셀의 미조립 도면이다;
도 2c는, 도 2a의 셀에 대한 대안도이다;
도 3a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀에 대한 셀 하우징의 개략적인 단면도이다;
도 3b는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀에 대한 셀 하우징의 개략적인 단면도이다;
도 4a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀의 개략적인 단면도이다;
도 4b는, 본 발명의 일 실시예에 따른 대체 셀 구성의 개략적인 단면도이다;
도 5a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 구성의 개략도이다;
도 5b는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 구성의 개략도이다;
도 5c는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 구성의 개략도이다;
도 5d는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 구성의 개략도이다;
도 5e는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 구성의 개략도이다;
도 5f는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 구성의 개략도이다;
도 5g는, 본 발명의 실시예에 따른 셀 구성의 개략도이다;
도 6a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀의 개략도이다;
도 6b는, 본 발명에 따른 셀과 함께 사용하기 위한 다양한 기하학적 형상들의 통기구를 도시한다;
도 7a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀의 개략도이다;
도 7b는, 도 7a의 셀의 일부의 개략도이다;
도 7c는, 도 7a의 셀의 일부의 개략도이다;
도 7d는, 도 7a의 셀의 일부의 개략도이다;
도 8a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 미조립 상태의 셀 유닛의 개략도이다;
도 8b는, 도 8a의 셀 유닛의 개략도이다;
도 8c는 도 8a의 셀 유닛의 개략도이다;
도 8d는, 도 8a의 셀 유닛의 개략도이다;
도 8e는, 도 8a의 셀 유닛의 일부에 대한 확대 개략도이다;
도 8f는, 도 8a의 셀 유닛의 단면도이다;
도 9a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛의 개략도이다;
도 9b는, 도 9a의 셀 유닛의 일부를 개략적으로 도시한다;
도 9c는, 본 발명의 실시예들에 따른 상이한 래핑 구성들을 개략적으로 도시한다;
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛의 개략도이다;
도 11a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛의 단면도이다;
도 11b는, 도 11a에 도시된 B-B선을 따라 본 도 11a의 셀 유닛의 단면도이다;
도 12a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략도이다;
도 12b는, 도 12a의 배터리 모듈이 조립되는 과정을 개략적으로 도시한다;
도 12c는, 도 12a의 배터리 모듈이 조립되는 과정을 개략적으로 도시한다;
도 13는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략도이다;
도 14는, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈과 함께 사용하기 위한 방화벽의 개략도이다;
도 15a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부의 개략도이다;
도 15b는, 도 15a의 배터리 모듈의 대안도이다;
도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 구성들을 도시한다;
도 17a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 조립체를 개략적으로 도시한다;
도 17b는, 조립시 도 17a의 배터리 조립체의 일부를 개략적으로 도시한다;
도 17c는, 조립시 도 17a의 배터리 조립체의 개략도이다;
도 17d는, 도 17a의 배터리 조립체의 개략도이다.
도 1은, 본 발명의 실시예들을 통합할 수 있거나 본 발명의 실시예들에 통합될 수 있는 셀의 개략도이다;
도 2a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀을 개략적으로 도시한다;
도 2b는, 도 2a의 셀의 미조립 도면이다;
도 2c는, 도 2a의 셀에 대한 대안도이다;
도 3a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀에 대한 셀 하우징의 개략적인 단면도이다;
도 3b는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀에 대한 셀 하우징의 개략적인 단면도이다;
도 4a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀의 개략적인 단면도이다;
도 4b는, 본 발명의 일 실시예에 따른 대체 셀 구성의 개략적인 단면도이다;
도 5a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 구성의 개략도이다;
도 5b는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 구성의 개략도이다;
도 5c는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 구성의 개략도이다;
도 5d는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 구성의 개략도이다;
도 5e는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 구성의 개략도이다;
도 5f는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 구성의 개략도이다;
도 5g는, 본 발명의 실시예에 따른 셀 구성의 개략도이다;
도 6a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀의 개략도이다;
도 6b는, 본 발명에 따른 셀과 함께 사용하기 위한 다양한 기하학적 형상들의 통기구를 도시한다;
도 7a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀의 개략도이다;
도 7b는, 도 7a의 셀의 일부의 개략도이다;
도 7c는, 도 7a의 셀의 일부의 개략도이다;
도 7d는, 도 7a의 셀의 일부의 개략도이다;
도 8a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 미조립 상태의 셀 유닛의 개략도이다;
도 8b는, 도 8a의 셀 유닛의 개략도이다;
도 8c는 도 8a의 셀 유닛의 개략도이다;
도 8d는, 도 8a의 셀 유닛의 개략도이다;
도 8e는, 도 8a의 셀 유닛의 일부에 대한 확대 개략도이다;
도 8f는, 도 8a의 셀 유닛의 단면도이다;
도 9a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛의 개략도이다;
도 9b는, 도 9a의 셀 유닛의 일부를 개략적으로 도시한다;
도 9c는, 본 발명의 실시예들에 따른 상이한 래핑 구성들을 개략적으로 도시한다;
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛의 개략도이다;
도 11a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛의 단면도이다;
도 11b는, 도 11a에 도시된 B-B선을 따라 본 도 11a의 셀 유닛의 단면도이다;
도 12a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략도이다;
도 12b는, 도 12a의 배터리 모듈이 조립되는 과정을 개략적으로 도시한다;
도 12c는, 도 12a의 배터리 모듈이 조립되는 과정을 개략적으로 도시한다;
도 13는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략도이다;
도 14는, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈과 함께 사용하기 위한 방화벽의 개략도이다;
도 15a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 일부의 개략도이다;
도 15b는, 도 15a의 배터리 모듈의 대안도이다;
도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 개략적인 구성들을 도시한다;
도 17a는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 조립체를 개략적으로 도시한다;
도 17b는, 조립시 도 17a의 배터리 조립체의 일부를 개략적으로 도시한다;
도 17c는, 조립시 도 17a의 배터리 조립체의 개략도이다;
도 17d는, 도 17a의 배터리 조립체의 개략도이다.
전기화학 셀은 전력의 저장 및 공급을 위해 사용된다. 복수의 셀들은 고율 방전 적용예에서와 같이, 다량의 전력을 저장하고 공급하기 위해 사용되는 복수의 셀들을 갖는 배터리와 같은 조립체에 결합될 수 있다. 배터리에서, 셀들은 직렬 및 병렬 연결의 임의의 적절한 조합으로 연결될 수 있다. 고율 방전 배터리 조립체는, 컴팩트한 물리적 저장 및 사용을 위해 프레임 및 지지부와 함께 많은 셀들이 필요할 수 있다. 고율의 방전시, 배터리 조립체 내의 셀들 및 기타 구성 요소들은 상당한 양의 열을 발생시킬 수 있으므로, 과도한 열에 의한 해로운 영향을 피하기 위해 냉각 메커니즘이 바람직할 수 있다. 개선된 구성과 시스템은 안전한 고율 방전 시스템을 가능하게 하기 위해 유리할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 개선된 셀, 배터리, 배터리 시스템 및 배터리 조립체에 관한 것이다. 개시된 셀, 배터리 및 시스템은 전력의 소형, 고방전 공급을 중요시하는 적용예에 적절한 향상된 전력 밀도를 제공할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 의해 고율 방전 등이 가능하지만, 본 발명에 개시된 실시예들은 고율 적용에 한정되지 않으며, 어떠한 유형의 전력 저장에도 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들을 포함할 수 있는 셀(100)의 개략도가 도시되어 있다. 셀(100)은 셀 하우징(102) 및 단자(104)를 포함한다. 셀 하우징(102)은, 단자(104)를 통해 전기 에너지에 의해 충전 및 방전될 수 있는 (예를 들어, 적층체 또는 내부 전기 화학 소자 세트의 형태로) 하나 이상의 양극 및 음극을 포함하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 전극 구성은 단일 양극 및 단일 음극을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 양극 및 음극 전극의 적층체가 사용될 수 있다. 두 개의 단자(104)를 갖는 것으로 도시되었으나, 본 발명은 분극 설계의 경우 단일 단자 셀을 포함한 다른 구성에 적용되는 것으로 이해될 것이다. 다른 내부 전기화학적 구성은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 가능하다. 일부 실시예에서, 셀(100)은 리튬 이온 셀일 수 있다. 본 명세서에 추가로 개시된 바와 같이, 개선된 열 제어가 달성될 수 있다.
셀 하우징(102)은 각형 셀 하우징이고, 그에 따라 셀(100)은 각형 셀이다. 본 명세서에서 사용되는 "각형"은 비원통 형상이고 셀이 전극의 실질적으로 평면 방향을 갖는 것을 의미한다. 셀 하우징과 셀 하우징 내의 전극들은 실질적으로 동일한 형상/기하학적 형상을 가질 것이고, 따라서 각형 셀 하우징은 내부에 각형, 실질적으로 평면형의 전극들을 포함할 것이다.
예를 들어, 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀(200)의 개략도가 도시되어 있다. 도 2a는 셀(200)의 사시도이고, 도 2b는 셀(200)의 미조립도이며, 도 2c는 셀(200)의 대안적 사시도이다. 셀(200)은 셀 하우징(202) 및 그로부터 연장되는 단자(204A, 204B)를 포함한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 셀 하우징(202)은 제1 부분(206) 및 제2 부분(208)을 포함한다. 셀 하우징(202)의 부분들(206, 208)은 부착되거나 연결될 수 있다. 이와 같은 연결 또는 부착은, 용접, 초음파 용접, 접착제, 크림핑, 본딩, gl히트 실링 또는 기타 화학, 재료, 기계적 연결/부착 또는 이들의 조합에 의한 것일 수 있다. 제1 부분(206)은 셀(200)의 구성 요소들을 수용하도록 구성된 셀 캐비티 (210)를 정의한다. 셀 캐비티 (210)를 규정하는 제1 부분(206)으로 도시되어 있지만, 다른 실시예에서, 제2 부분 또는 제1 부분과 제2 부분의 조합은 셀 캐비티를 규정하도록 배치될 수 있다. 셀 하우징(202)의 부분들(206, 208)은 일부 비제한적인 예에서 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 이들의 열융착성 적층체로 형성될 수 있다.
전극 적층체(212)는, 셀 하우징(202)의 제1 부분(206)과 제2 부분(208) 사이의 셀 캐비티((210)) 내에 끼워지고 유지되도록 구성된다. 전극 적층체(212)는 양극 및 음극(예를 들어, 캐소드 및 애노드)과 같은 전극(214)과 같은 복수의 셀 요소들로 형성되며, 각각의 양극 및 음극 사이의 분리부를 포함할 수 있다. 상기 분리부는, 예를 들어 미세다공성 분리부일 수 있다. 전극 적층체(212)는 전극(214)과의 전기적 연결 및 전력 전달을 가능하게 하는 제1 탭(216) 및 제2 탭(218)을 포함한다. 상기 전극들은 양극 및 음극을 포함하며, 구체적으로는, 예를 들어, 도 4a에 도시되어 있다. 일부 구성에서, 상기 제1 탭(216)은 음의 탭일 수 있으며, 예를 들어 니켈 또는 구리를 포함할 수 있고, 상기 제2 탭(218)은 양의 탭일 수 있으며, 예를 들어 알루미늄을 포함할 수 있다. 비제한적인 예에서, 상기 전극 적층체(212)는 알루미늄 집전 장치 및 캐소드 활물질을 갖는 양극, 구리 집전 장치 및 애노드 활물질을 갖는 음극, 상기 전극들 사이의 분리부(예를 들어, 미세다공성 폴리에틸렌), 및 적절한 유기 용매의 적절한 리튬염을 포함하는 전해질을 포함할 수 있다. 상기 제1, 제2 탭(216, 218)의 각각은 구체적인 셀 구성 및/또는 용도에 따라 하나의 탭 또는 복수(예를 들어, 적층된)의 탭으로 형성될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
단자 블록(220)은 음극 단자(204A)와 양극 단자(204B)로 구성된다. 음극 단자(204A)와 양극 단자(204B)는 서로 전기적으로 절연되어 있다. 상기 음극 단자(204A) 및 양극 단자(204B)는 전극 적층체(212)의 제1 탭(216) 및 제2 탭(218)에 각각 전기적으로 연결되어 커넥터가 전극 적층체(212)과의 전기적 전달에 적절한 연결을 제공할 수 있도록 할 수 있다. 단자 블록(220)은 셀(200)의 단자들(204A 및 204B)를 포함한다. 일부 실시예에서, 탭들(216, 218)은 용접된 연결(예를 들어, 초음파, 레이저, 저항 등), 리벳, 고정 장치 또는 다른 유형의 커넥터 및/또는 연결에 의해 단자 블록(220)의 일부에 부착될 수 있다.
제1 부분(206)의 개방 단부가 짧은 치수로 도 2b에 도시되어 있지만, 이와 같은 구성은 제한되지 않는다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 전극 적층체(212)는, 짧은 치수가 개방되는 대신, 셀 하우징의 긴 치수를 따라 셀 하우징에 삽입될 수 있다. 또한, 탭들(216, 218)은 도 2b에 도시된 바와 같이 짧은 치수보다는 전극 적층체(212)의 긴 치수로부터 연장될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 제1 부분(206)과 제2 부분(208)은 서로 부착되도록 구성된 완전히 별개의 구조로 도시되어 있지만, 일부 실시예에서는, 두 부분들(206, 208)은 단일 재료 구조일 수 있고, 예를 들어, 제2 부분(208)은 제1 부분(206) 위에 접힌 후 함께 결합될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 셀 하우징(202)는 부분적으로 셀 캐비티 (210)를 정의할 수 있는 하우징 측벽(222)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 형성된 셀 하우징(202)의 일단에는 하우징 측벽(222)이 경사진 하우징 측벽(224)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 경사진 하우징 측벽(224)은 통기구(226)를 포함한다. 도 2a 내지 도 2c에는 경사진 하우징 측벽(224)이 하나의 위치에만 도시되어 있으나, 경사진 하우징 측벽(224)은 하우징 측벽(222)의 보다 큰 부분 또는 전체 길이 주위에 연장될 수 있으며, 도시된 구성은 단지 예시적이고 설명적인 목적으로 제공되는 것으로 이해해야 한다. 본 발명의 실시예들의 경사 하우징 측벽은, 임의의 소망하는 각도가 비제한적으로 제공될 수 있으며, 예를 들어, 30° 내지 90°(예를 들어, 90° 미만으로, 예를 들어, 35° 내지 80°, 40° 내지 70° 등)의 경사각을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 경사 하우징 측벽들(224)은 곡률 등(예를 들어, 오목 또는 볼록)을 포함할 수 있으며, 이에 의해 경사진 평면에 한정되지 않는다. 이와 같이, 본 명세서에서 사용되는 용어 "경사진 측벽" 또는 "경사진 하우징 측벽"은 평면에 한정되지 않고 윤곽선, 곡선 또는 다른 형태로 될 수 있다.
또한, 상기 하우징 측벽들(222)의 평탄한 부분들은 그의 주변부들의 대부분 또는 일부분에 대해서만 제공될 수도 있다. 추가적으로, 일부 실시예들에서, 통기구는 평평한 측벽의 구간을 따라 설치되거나 구성될 수 있으며, 경사진 하우징 측벽(224)에 제공될 필요가 없다.
통기구(226)는 셀 하우징(202) 내의 압력 증가 시 개방되며 이에 따라 셀 하우징(202) 내의 압력 및/또는 가스의 통기를 허용하도록 구성될 수 있다. 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 통기구(226)는 단자(204A, 204B)로부터 셀 하우징(202)의 대향측에 배치되어 있다. 통기구(226)를 단자(204A, 204B)와 대향하는 단부에 배치하고 경사 하우징 측벽(224)에 배치함으로써, 셀(200)의 단자 단부에 추가적인 공간을 제공하도록 구성을 개선할 수 있다. 예를 들어, 대안적 설계에 비해 상대적으로 보다 단자를 사용할 수 있다. 또한, 경사진 하우징 측벽(224)에 의해, 통기구(226)를 통해 배터리, 셀 또는 셀 유닛의 민감한 부분으로부터 멀어지는 가스가 보다 효율적으로 수집 및 유도될 수 있다. 통기구의 위치 및 개수는 특정 셀 하우징 설계 또는 셀 설계에 기초하여 선택될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상기 통기구(226)는 상기 경사진 하우징 측벽(224) 상에 배치되는 것이, 상기 통기구(226)가 작용할 수 있는 표면적을 증가시킬 있다. 일부 실시예들에서, 통기구(226)는, 예를 들어, (예를 들어, 레이저 식각, 화학 식각, 포토 식각, 기계적 식각 등에 의해 제공되는) 에칭된 통기구 또는 (예를 들어, 코이닝, 기계가공, 스탬핑, 밀링 등에 의해) 통기구(226)의 위치에 감소된 재료의 두께로 형성된 통기구 구조와 같이 셀 하우징(202) 재료의 일체형 피스일 수 있다. 이와 같이, 일부 실시예에서, 통기구(226)는 셀 하우징(202)에 부착된 별도의 재료 피스가 아닐 수 있다. 통기구(226)의 형성은 통기구(226)의 위치에 트렌치(trench) 또는 감소된 재료 두께를 갖도록 할 수 있다. 통기구(226)의 재료 두께는, 예를 들어, 비통기구 위치에서의 셀 하우징(202)의 재료 두께보다 작은 값이면 어떠한 것이라도 가능하다. 통기구(226)의 재료 두께(예를 들어, 통기구 구조 형성 후 잔류 두께)는, 예를 들어, 예시적으로, 0.0001, 0.0005, 또는 0.001 내지 0.01 또는 0.05 인치일 수 있다. 트렌치 깊이(통기구로 형성된 공극)는 0이 아닌 깊이로서 통기구에서 재료의 잔류 두께 또는 잔여 두께가 통기구/트렌치의 일부를 형성하지 않는 통기구 주변 셀 하우징의 전체 두께보다 작아지도록 하는 것으로 이해될 것이다.
일부 비제한적인 예에 따르면, 통기구는, 통기구의 개구가 셀 하우징의 다른 위치에서 버스트 또는 다른 개구에 앞서 발생하도록 특정 압력 값으로 개방되도록 선택될 수 있다. 즉, 통기구는 배기 가스의 수집, 방향 및 제어가 달성될 수 있도록 특정 압력에서 파열하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 통기구에 대해 실시될 수 있는 압력 범위는 10-1,000 psi, 20-500 psi, 40-300 psi(예를 들어, 40 kPa 내지 10 MPa 또는 그의 하위 집합) 범위 내 및/또는 셀/셀 하우징의 다른 부분(예를 들어, 심, 플랜지 등)의 파열 압력보다 약간 낮은 값일 수 있다. 따라서, 통기구는 셀의 다른 위치에서 바람직하지 않은 통기를 방지하기 위해 선택된 압력 값으로 개방되도록 구성된다. 이와 같이, 통기구들의 깊이, 형상, 에칭 또는 다른 특징들은, 셀 하우징 내에서 소망 압력 레벨로 터지거나 개방되도록 선택및 형성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 셀 하우징(202)과 통기구(226)는 동일한 재료로 형성되거나 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 셀 하우징(202) 및 통기구(226)는 단일 구성 요소를 포함하고 선택된 압력으로 개방되도록 설계된 동일한 재료를 포함할 수 있다. 단, 일부 실시예에서, 통기구는 셀 하우징(202)의 그것과 별개 또는 다른 재료(또는 동일한 재료)로 형성될 수 있으며, 셀 하우징(202)의 위치(예를 들어, 경사진 하우징 측벽 224)에 부착될 수 있다. 통기구(226)는 단자(204)에 대향하여 도시되어 있지만, 다른 구성에서 통기구 및 관련된 경사 하우징 측벽은, 셀 하우징(202)의 둘레 또는 주변의 임의의 위치(예를 들어, 측면을 따라, 일측 또는 양측 단부에서, 단자에 인접한 위치 등)에 배치되거나 위치될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 통기구는 경사진 측벽들에 배치될 필요는 없으나, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 수직 측벽들에도 배치될 수 있다.
통기구(226)는 전극 적층체(212) 내의 온도 상승 등으로 셀 캐비티((210)) 내에 내압이 축적되면 통기구(226)가 개방되어 셀 캐비티((210))에서 가스가 배출되도록 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 통기구(226)는 경사진 하우징 측벽(224)의 배향 및 배치와 조합하여 배출된 가스를 바람직하지 않은 위치 및 의도된 방향으로 유도 및 제어할 수 있도록 단일 방향으로 개방되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 통기구(226)는 배출된 고온 가스가 셀 조립체 및/또는 셀(200) 근처에 배치된 전자 장치의 민감한 영역으로 향하거나 들어가지 않도록 배터리 설계 특징과 함께 위치 및 조정될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 셀 하우징은, 이 셀 하우징의 각 측면에 통기구와 같은 다수의 통기구들로 구성될 수 있다.
셀 하우징(202)의 부분들(206, 208)에 대해 실질적으로 평면적인 표면을 갖는 도 2a 내지 도 2c에 도시 및 개시되나, 셀 하우징의 이와 같은 기하학적 구조 및 형상은 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 부분들(206, 208) 중 하나 또는 둘 모두는 라운드 셀(예를 들어, 평평한 측면 또는 부분을 갖는 원통형 또는 부분적 원통형)을 제공하기 위해 둥글거나 또는 돔 형태를 포함할 수 있다. 따라서, 예시적인 기하학적 형상은 예시적이고 설명적인 목적으로 제공될 뿐 제한적인 의도는 아니다. 일부 실시예에서, 셀 하우징(202)은 제1 부분(206)과 제2 부분(208) 사이의 방향(예를 들어, 부분 206), 208의 평면 형상에 수직)에서 규정된 두께를 가질 수 있다. 일부 비제한적인 실시예들에서, 셀 하우징(202)(및 셀 200)의 두께는 0.5인치 이하일 수 있으며, 이는 얇거나 작은 셀을 제공한다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 하우징(300)의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 셀 하우징(300)은 제1 부분(302) 및 제2 부분(304)을 포함한다. 본 실시예에서, 제1 부분(302) 및 제2 부분(304)은 클램-쉘 구성을 형성한다. 이와 같은 구성에서, 제1 부분(302)은 각각의 제1 플랜지(306)를 포함하고, 제2 부분(304)은 각각의 제2 플랜지(308)를 포함한다. 상기 제1 플랜지(306)는 제1 부분(302)의 주변(예를 들어, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 3변)에 제공되어, 셀의 탭들과 결합되는 단자 블록의 개방 단부를 남길 수 있다. 유사하게, 제2 플랜지(308)는 제2 부분(304)의 주변에 제공되어, 셀의 탭들과 맞물리는 단자 블록을 위해 개방 단부를 남길 수 있다. 결합된 제1 및 제2 부분(302, 304)은 그 안에 셀 캐비티(310)를 정의한다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 하우징(320)의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 셀 하우징(320)은 제1 부분(322) 및 제2 부분(324)을 포함한다. 본 실시예에서, 상기 제1 부분(322) 및 제2 부분(324)은 욕조형 구성을 형성한다. 이와 같은 구성에서, 제1 부분(322)은 각각의 제1 플랜지(326)를 포함한다. 본 실시예에서, 제2 부분(324)은 각각의 제2 플랜지(328)를 갖거나 규정하는 실질적으로 평평한 시트이다. 상기 제1 플랜지(326)는 제1 부분(322)의 외주 주변(예를 들어, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 3변)에 제공되어, 셀의 탭들과 결합되는 단자 블록의 개방 단부를 남길 수 있다. 결합된 제1 및 제2 부분(322, 324)은 내부에 셀 캐비티(330)를 정의한다.
도 3a 내지 도 3b에 도시된 어느 구성에서, 플랜지들은 셀 하우징의 주변 또는 주변을 따라 배치될 수 있다. 플랜지는 전체 주변(예를 들어, 사각형 또는 직사각형의 네 변, 원의 전체 둘레 등)에 걸쳐 있거나 전체 주변보다 작을 수 있다. 일부 실시예에서, 플랜지는 단자들과 함께 측면을 따라 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 단자들은 플랜지를 포함하지 않는 측에 배치될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 주변의 한 변 또는 일부만 플랜지를 포함한다. 셀 하우징들의 부분들을 결합할 때, 셀 하우징들의 부분들의 플랜지들은 용착되거나 함께 결합될 수 있다. 일부 구성에서는 초음파 또는 레이저 빔 용접을 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 플랜지는 이와 같은 용접을 용이하게 할 수 있고, 조립 시 용접 공정의 열이 셀 캐비티 내에 배치된 셀에 도달하는 것을 최소화하거나 방지할 수 있다. 본 명세서에 개시된 플랜지 이외에, 또는 대안적으로, 접착제를 사용하거나 사용하지 않고 두 부분을 함께 크림핑할 수 있다. 이와 같이, 용접보다는 기계적인 연결을 사용하여 부분들을 결합하고 셀 하우징을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 셀 하우징에는 플랜지와의 용접 사용이 셀과 멀어지기 때문에, 비교적 얇은 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 비제한적인 예에서, 셀 하우징의 제1 부분 및 제2 부분의 재료 두께는 0.080인치 내지 0.001인치일 수 있다. 일부 실시예에서, 재료 두께는 0.008인치 이하일 수 있다. 또한, 일부 실시예에서 플랜지의 폭(셀 캐비티를 규정하는 각 측면에서 외측으로 향하는 범위 또는 방향)은 0.001인치 내지 1인치와 같은 적절한 치수일 수 있다. 일부 실시예에서, 플랜지의 폭은 0.5인치 이하일 수 있다. 플랜지는 임의의 적절한 치수를 가질 수 있으며, 이와 같은 치수는 예를 들어 용접, 크림프, 접착 시일 등의 특성을 위해 선택될 수 있다. 또한 플랜지 재료 두께는 강도를 위해 선택될 수 있으며 플랜지의 길이를 따라 변경하여 원하는 특정 위치에서 강도를 높일 수 있다. 플랜지를 따른 부분의 특정 형태의 접합은 과열시 소망의 파열면이 셀의 통기에 일조할 수 있도록 선택될 수 있다. 예를 들어, (예를 들어, 용접의 침투 또는 폭에 의해) 파열면을 규정하도록 용접량이 선택될 수 있다. 또한, 도 3a 내지 도 3b에 수평 플랜지로서 도시되어 있지만, 형성된 셀 하우징의 표면에 대해 플랜지가 각도를 이룰 수 있음을 알 수 있을 것이다. 이와 같은 각진 플랜지는 셀 하우징의 서로 다른 부분들 사이에 원하는 시일을 제공하기 위해 도움이 될 수 있다.
일부 실시예에서, 플랜지는 셀 하우징의 용접 또는 다른 부분들의 접합을 가능하게 하는 것 외에도, 셀 하우징 내에 배치된 셀로부터의 열 방출을 돕기 위해 구성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 셀 하우징은 알루미늄으로 형성될 수 있다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 사용하면, 개선된 열 관리가 제공된다(예를 들어, 열을 제거 및/또는 이와 같은 추가적인 열이 바람직한 경우 셀로 열을 제공할 수 있도록 하는 셀로부터의 열 전달). 플랜지 또는 플랜지의 임의 부분은 열 전달 핀 또는 표면으로서 작동하며, 이에 따라 셀 하우징 및/또는 셀 하우징으로부터의 열 전달을 개선할 수 있다. 일부 실시예에서, 셀 하우징은 예를 들어, 알루미늄, 스테인리스 스틸 또는 폴리머로 형성될 수 있다. 히트 파이프(예를 들어, 평평한 히트 파이프)의 포함 및/또는 구리, 알루미늄, 열분해 흑연, 그래핀, 다이아몬드 등과 같은 배열된 재료를 통해 셀 하우징의 외측에 추가적인 열전도가 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 플랜지를 전기적으로 격리하기 위해, 열 캡 또는 에폭시 층이 플랜지(들)에 걸쳐 또는 그 위에 도포될 수 있다. 일부 실시예에서, 플랜지 또는 플랜지의 임의의 부분은 하우징/플랜지의 평면에서 셀로 및/또는 셀로부터 열 전달을 위한 열 핀(thermal fin)으로 동작할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은, 2부분 셀 하우징을 사용함으로써, 셀 하우징 내에 셀을 설치하기 위해 제공되는 복잡한 기하학적 구조 또는 개구들을 회피할 수 있다. 또한, 상기 2부분 조립 셀 하우징으로 인해, 설치 개구에 의해 비제한적인 복잡하거나 독특한 형상 및 기하학적 구조가 사용될 수 있다. 이와 같이, 셀 하우징의 형상, 크기 및 형상은 다른 고려사항들 중에서, 예를 들어, 방열, 열 공급, 압력 증가 고려사항, 고유하거나 불균일한 프레임 및 위치에서의 설치와 같은 다른 고려사항들에 대해 바람직할 수 있다. 다른 구성에서, 복잡한 기하학적 구조는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 사용될 수 있다. 예를 들어, 위에서 언급한 바와 같이 제한없이 원형 또는 원통형 기하학적 구조가 사용될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀(400)의 개략도가 도시되어 있다. 셀(400)은 플랜지(408)에 함께 용접된 제1 부분(404) 및 제2 부분(406)을 갖는 셀 하우징(402)을 포함한다. 셀 하우징(402) 내에는 전극 적층체(410)가 설치되어 있다. 전극 적층체(410)는 분리부(410C)를 사이에 두고 양극(410A)과 음극(410B)을 포함하고 있다. 이와 같은 관점에서, 셀 하우징(402)의 제1 부분(404)은 2개의 측면에 경사진 하우징 측벽들(412)을 포함하고 있다. 각각의 경사진 하우징 측벽(412)은 본 명세서에 도시되고 개시된 것과 유사한 하나 이상의 통기구를 포함할 수 있다. 경사진 하우징 측벽들(412)의 경사와 전극 적층체(410)의 기하학적 형상으로 인해, 전극 적층체(410)의 주변에는 하나 이상의 포켓(414)이 제공될 수 있다. 포켓(414)은 셀(400)의 가스 축적 용량을 증가시킬 수 있다. 경사진 하우징 측벽들(412) 중 하나에 통기구가 제공되면, 각 포켓(414) 내에 축적된 가스가 그곳을 통해 통기될 수 있다. 일부 실시예들에서, 셀의 상이한 포켓들은 서로 실질적으로 유동적으로 분리되어 유지될 수 있고, 다른 실시예들에서, 각종 포켓들은 셀 하우징 내에서 셀의 주변을 중심으로 하나의 포켓을 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 유동적으로 분리된 포켓들은 셀의 대향측들에 있거나 또는 셀의 단일 측을 따라 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 또한, 도 4a에 도시된 바와 같이, 셀(400)은 전극 적층체(410)의 하나 이상의 측면들에 배치된 하나 이상의 내측 하우징 절연체 요소(416)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 내측 하우징 절연체 요소(416)는, 후술하는 바와 같이, 조립된 서브 모듈 또는 셀 유닛들의 적층체에서 셀 유닛들 사이에 배치될 절연체의 필요성을 감소시키거나 제거할 수 있도록 구성될 수 있다(예를 들어, 열 절연체 요소 1010 또는 절연체 요소를 제거할 수 있다). 일부 실시예들에서, 내측 하우징 절연체 요소(416)는 사용될 추가적인 열 절연체의 필요성을 줄이거나 제거하기 위해 충분한 열 절연체를 제공할 수 있다. 이와 같은 구성은 보다 보편적인 적용과 제조의 용이성을 가능하게 할 수 있다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 셀 하우징(402)의 제1 부분(404)만 내측 하우징 절연체 요소 (416)를 포함하고 있다. 다른 실시예에서, 셀 하우징의 제1 부분과 제2 부분 모두 하나 이상의 내측 하우징 절연체 요소(416)를 포함할 수 있다. 내측 하우징 절연체 요소(416)는 전기적 절연 및 단열 특성을 위해 구성될 수 있다. 상기 내측 하우징 절연체 요소(416)는 예를 들어 폴리올레핀, 폴리에스테르 또는 폴리에틸렌, 또는 불소화 폴리올레핀, 또는 이들의 공중합체, 또는 이들로 형성된 테이프로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌이 사용될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀(450)의 대안적 구성이 도시되어 있다. 셀(450)은 플랜지(458)에 함께 용접되는 제1 부분(454) 및 제2 부분(456)을 갖는 셀 하우징(452)을 포함한다. 셀 하우징(452) 내에는 전극 적층체 (460)가 설치되어 있다. 전극 적층체(460)는 분리부(464)를 사이에 두고 배치된 전극군(462)을 포함한다. 분리부(464)는 각각 열전도체층(466) 및/또는 열 절연체층 (468)으로 구성될 수 있다. 전극군들(462)은 셀 하우징(452) 내에서 병렬 또는 직렬로 전기적으로 연결될 수 있다. 각 전극군(462)은 예를 들어, 선택적 및 개별적으로 별도의 고분자 파우치에 포함될 수 있다. 전극군들(462) 사이에는 교류 열전도체층(466) 및 열 절연체층(468)이 배치되어 있다. 열 전도체층(466)은 열을 분배하기 위한 수단으로서 셀 하우징(452)에 열적으로 연결되거나 접촉될 수 있다. 다른 구성에서, 상기 열전도층(466)은 통상의 기술자들이 인정하는 바와 같이, 열 수집 및 제거를 위해 특별히 배치된 셀 양극 단자, 셀 음극 단자 또는 중성 피드스루 중 어느 하나에 연결될 수 있다. 셀 내 도체 및 절연체들(층 466, 468)의 두께는, 일부 실시예 및 어떤 예에서, 본 명세서에 설명된 셀간(intercell) 부품들의 두께와 동일한 범위일 수 있다. 셀(450)은 하나 이상의 통기구를 포함할 수 있는 2개의 측면에 경사지게 형성된 하우징 측벽을 포함할 수 있다. 도 4a에 도시되어 개시된 바와 같이 경사지게 형성된 하우징 측벽의 경사와 전극군(462) 및 층(466, 468)의 기하학적 형상으로 인해, 전극 적층체(460)의 주변에는 하나 이상의 포켓들이 제공될 수 있다.
실질적으로 직사각형 셀과 관련하여 상기와 같이 도시되고 개시되지만, 이와 같은기하학적 구조는 제한되지 않는다. 예를 들어, 도 5a 내지 도 5g를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 셀들의 상이한 기하학적 형상에 대한 개략도들이 도시되어 있다. 개시된 예시적인 기하학적 구조 및/또는 형상들은 개시된 하우징 내에서 전극들의 실질적으로 평면적인 배향들을 포함하는 각형 셀들의 형상들은 제한되지 않으며, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 다른 기하학적 구조/형상들이 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 도 5a-5g의 예시적인 실시예들에서는, 특정 플랜지가 포함되지 않음을 알 수 있을 것이다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 플랜지는, 예를 들어, 셀들의 제조 및/또는 조립에 따라 선택적일 수도 있고, 포함되지 않을 수도 있다. 이와 같은 실시예들에서, 셀 하우징은 위에서 설명한 바와 같이 셀 내부로부터의 압력/가스의 통기를 가능하게 하는 통기구를 여전히 포함한다.
도 5a는 측벽이 평평하거나 직선인 직사각형 셀(500A)을 도시한다. 셀(500A)은 셀 하우징(504A)으로부터 연장되는 단자(502A)를 포함한다. 전극 적층체(506A)는 셀 하우징(504A) 내에 배치되며, 셀 하우징(504A)과 실질적으로 동일한 형상을 가지고 있다. 이와 같은 구성에서, 단자들(502A)은 셀 하우징(504A)의 직사각형 형상의 단변(508)으로부터 연장되어 있다.
도 5b는 측벽이 평평하거나 직선인 직사각형 셀(500B)을 도시한다. 셀(500B)은 셀 하우징(504B) 내에 전극 적층체(506B)가 배치된 셀 하우징(504B)으로부터 연장되는 단자(502B)를 포함한다. 전극 적층체(506B)는 셀 하우징(504B)과 실질적으로 유사한 형상을 가지고 있다. 이와 같은 구성에서 단자(504B)는 셀 하우징(504B)의 직사각형 형상의 주 측면(508)으로부터 연장되어 있다.
도 5c는 대략 원형 또는 원형 셀(500C)을 도시한다. 셀(500C)은 셀 하우징(504C)의 평평한 단부(510)로부터 연장되는 단자(502C)를 포함한다. 전극 적층체(506C)는 셀 하우징(504C) 내에 배치되며, 셀 하우징(504C)과 실질적으로 동일한 형상을 갖는다. 이에 반해, 도 5d는 원형 셀(500D)의 유사한 기하학적 형상의 셀 하우징(504D)을 도시하고 있으나, 단자(502D) 중 하나는 셀 하우징(504D)의 원형 부분 또는 원형 측벽(512)으로부터 연장되어 있다. 도 5d의 구성에서, 셀(500D)은 셀 하우징(504D)의 경사진 측벽에 배치되는 통기구(513)를 포함하고 있다. 도 5a 내지 도 5g의 실시예/구성 중 어느 하나라도 셀 하우징의 경사진 측벽에 통기구를 포함할 수 있으며, 이에 따라, 설명의 편의를 위해 다른 통기구는 예시에서 생략하는 것을 이해할 수 있을 것이다. 통기구의 배치 및 방향은 셀의 통기구가 개방된 경우 배출된 가스가 셀에서 멀어지도록 하기 위해 선택할 수 있다. 이와 같이, 셀의 기하학적 구조나 형상에 관계없이, 하나 이상의 통기구들을 포함하여 셀에 대한 통기 가스를 제어하고 배향하도록 제공될 수 있다.
도 5e-5f는 각각의 셀 하우징(504E, 504F)의 평평하거나 둥근 에지/측면들에서 서로 다른 위치에 배치된 단자(502E, 502F)를 갖는 부분적 원형 형상의 셀(500E, 500F)을 도시하고 있다.
도 5g는, 중앙 개구(514)를 갖는 환상 또는 토러스 형상을 갖는 셀(500G)을 도시한다. 본 도면에서, 단자(502G)는 평평한 측벽(516)으로부터 연장되지만, 외측 둥근 측벽(518) 및/또는 내측 둥근 측벽(520)으로부터 연장되도록 구성될 수도 있다.
도 5a-5g와 관련하여 제한된 수의 상이한 기하학적 형상 및 배열들이 도시되고 개시되지만, 통상의 기술자들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 형상 및 구성들이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 각각의 예시적인 구성들 또는 그 변형예들에서, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 셀 상에 플랜지 및/또는 경사진 측벽 및/또는 통기구가 포함될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
이제 도 6a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀(600)의 개략도가 도시되어 있다. 셀(600)은 적어도 하나의 경사진 하우징 측벽(604)을 갖는 셀 하우징 (602)을 포함한다. 본 구성의 예시적인 구성에서, 셀 하우징(602)은 제1 통기구(606)와 제2 통기구(608)를 포함하며, 둘 다 경사진 하우징 측벽(604)에 배치된다. 도시된 바와 같이, 도시된 제1 통기구(606)는 실질적으로 타원형 또는 레이스트랙 기하학적 형상을 가지고 있다. 도시된 제2 통기구(608)는 실질적으로 X자 형상을 갖는다. 통기구들은 셀 하우징(602)의 재료에 에칭에 의해 형성될 수 있다. 이와 같은 에칭은 셀 하우징(602) 내에 규정된 캐비티 내에서 압력 증가시 파괴되거나 개방될 수 있는 약화된 위치 또는 영역을 제공할 수 있다. 본 명세서의 개시에 따라 본 발명의 통기구는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 직선형, 곡선형, 원형 또는 다른 기하학적 형상을 가질 수 있다는 것은 통상의 기술자들에 의해 이해될 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들에 따른 통기구들의 대안적인 기하학적 형상들이 도 6b에 도시되어 있다.
도 6b는 서로 다른 예시적인 통기구 구성들(610a-610f)을 도시하고 있다. 상이한 통기구 구성들(610a 내지 610f)은 소정의 압력 한계에서 통기구를 달성하도록 선택될 수 있다. 즉, 셀 하우징 내의 압력이 미리 설정된 한계에 도달하거나 초과하면 통기구가 파열되어 가스와 압력이 셀 하우징으로부터 배출될 수 있다. 상기 다양한 통기구 구성들(610a 내지 610f)의 기하학적 형상은 에칭, 기계적 가공, 코이닝, 스탬핑 등에 의해 형성될 수 있다. 통기구 구성들(610a 내지 610f)은 각각의 통기구 구성들(610a 내지 610f) 주위의 재료 두께에 비해 감소된 재료 두께의 형상을 정의한다. 이와 같이 감소된 재료 두께는 압력 한계에 도달할 때 파열될 수 있는 약하거나 덜 단단한 단면을 제공하여 셀 하우징에서 통기를 허용한다. 다른 기하학적 형상과 프로파일이 사용될 수 있다는 것은 통상의 기술자들에 의해 이해될 것이다. 또한, 특정 적용예에 대해 원하는 대로 단일 셀 하우징에 다수의 유사하거나 상이한 통기구 구성들을 사용할 수 있다.
도 6a-6b는 제한된 수의 예시적인 기하학적 형상들을 도시하고 있지만, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 통기구들을 위한 다른 기하학적 형상들이 사용될 수 있다는 것은 통상의 기술자들에 의해 이해될 것이다. 예를 들어, 하우징의 재료에는 하나 이상의 통기구로서 기능하도록 다양한 파형 또는 파형 형태의 형상 및/또는 선들이 형성될 수 있다. 파형 형상/선은 통기구 형상을 따라 하나, 둘, 셋, 넷, 다섯 또는 그 이상의 피크/골을 갖는 곡선형으로 기술될 수 있다. 또한, 직선 또는 해시 마크들을 갖는 선 등을 채용할 수도 있다. 이와 같이, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 다수의 상이한 형상의 통기구들이 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 다수의 통기구들이 셀 하우징에 통합될 수 있고, 압력 상승에 의한 변형률의 최대치에 위치할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 다수의 유사하거나 상이한 형상의 통기구들이 셀 하우징의 주변 또는 에지 및 표면을 중심으로 서로 다른 복수의 상이한 위치들에 배치될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 다수의 통기구가 사용되는 경우, 통기구마다 통기 설정 지점이 다를 수 있으므로, 서로 다른 압력 레벨로 통기되도록 통기구가 파열될 수 있다.
일부 실시예에서, 통기구는 경사진 측벽 구조에 통합될 수 있으며, 에칭될 필요가 없다. 예를 들어, 경사 특성은, 응력 집중기를 생성하여 셀이 에칭의 필요 없이 바람직한 통기 방향(예를 들어, 셀의 하단)으로 통기되도록 할 수 있다. 일부 구성에서는 각도 지거나 경사진 측벽에 의해 활성화된 이와 같은 통기는 에칭된 통기 기능에 추가되거나 중복될 수 있다. 경사진 측벽은 압력이 작용할 수 있는 추가적인 표면적을 생성하므로 수직 또는 직선 측벽(즉, 비스듬하지 않은 측벽)에 비해 보다 크고 보다 제조 가능한 통기구를 가능케 한다. 일부 실시예들에 따르면, 통기구는 셀 하우징의 나머지 부분과 동일하거나 상이한 재료일 수 있는 별도의 부분으로 (예를 들어, 용접, 크림프, 접착제 등으로) 일체형으로 에칭되거나 부착될 수 있다. 예를 들어, 하나의 비제한적인 실시예에서, 통기구는 바람직한 신장 대 파열 값을 갖는 니켈로 형성될 수 있으며, 이에 따라 셀 하우징(예를 들어, 알루미늄으로 제조)의 나머지 부분에 비해 낮은 압력으로 통기될 수 있다.
도 7a-7d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리에 사용하기 위한 셀(700)의 개략도가 도시되어 있다. 본 실시예의 셀은 파우치(702) 내에 분리부를 사이에 두고 양극(예를 들어, 캐소드)과 음극(예를 들어, 앵노드)을 포함하여 배치된다. 일부 실시예에서, 셀(700)은 복수의 양극 및 복수의 음극을 포함하여 전극 적층체을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 양극 및 단일 음극이 사용될 수 있다. 파우치(702)는, 예를 들어, 본 명세서에 도시되고 설명된 것과 유사하게, 셀 하우징 내에 설치되도록 구성될 수 있다. 파우치(702)는 셀(700)의 전기화학적 부분을 형성하기 위해 전극들에 접히거나 감쌀 수 있는 하나 이상의 재료(예를 들어, 금속화된 호일)로 형성될 수 있다.
셀(700)은 파우치(702)의 단부로 연장되는 단자(704)를 포함한다. 단자(704)의 반대편에는 통기구(706)가 있다. 파우치(702)의 재료는 그의 주변(708)을 중심으로 크림핑, 접착, 열 밀봉 등의 방식으로 밀봉될 수 있다. 통기구(706)가 형성된 파우치(702)의 단부에는 파우치(712)의 제1 측면(710)이 제2 측면에 걸쳐 접혀질 수 있고, 함께 결합 또는 접합시 제1 측면(710)의 오목부(714)가 통기구(706)를 규정하여 형성한다. 통기구(706)는, 파우치 내의 압력이 바람직하지 않은 레벨로 상승할 경우, 파우치의 나머지 부분보다 먼저 파열되는 갭 또는 약하게 용접되거나 접합된 부분으로서 구조적으로 형성될 수 있다. 그러나, 이와 같은 기계적 통기구는 파우치 구성에 필요하지 않다. 예를 들어, 심(seam) 등에서 재료의 접힘이 중첩되는 위치를 포함하여, 전술한 바와 같은 에칭이 사용될 수 있다.
도 7d는 셀(700)의 재료 시트를 감싸기 전의 파우치(702)의 재료 또는 시트를 도시한다. 도시된 바와 같이, 파우치(702)의 재료 또는 시트는 제1 측면(710)과 제2 측면(712) 사이에 있는 중간부(716)를 포함한다. 상기 중간부(716)는 단자들(704)과 상기 파우치(702) 내에 포함되는 재료의 시트들 사이의 전기적 연결이 가능하도록 구성된 단자 개구부(718)를 포함한다. 상기 중간부(716)는, 상기 단자들(704)을 갖는 셀(700)의 단부 주변에 연속적인 물질을 제공한다.
파우치(702)는 임의의 적절한 금속화 필름(예를 들어, 알루미늄 코팅 폴리에스테르 필름)을 포함할 수 있다. 비금속 재료를 사용하는 일부 구성에서, 조립된 셀(700)은 밀폐형 셀 하우징 내에서 밀봉될 수 있다. 파우치는 일부 구성에서, (후술되는 바와 같이) 조립체의 셀 적층체에 조립될 때, 직접 또는 개선된 연결을 가능하게 함으로써 향상된 냉각을 제공할 수 있다. 상기 파우치 재료는 세라믹 도체 인터페이스를 통한 버스 바의 냉각을 통해 전체적으로 개선된 냉각을 제공할 수 있다. 접힌 단일 시트의 재료로 파우치를 구성하기 때문에, 중간부는 단자 근처에서 강도를 향상시킬 수 있다. 구조체의 약점을 보완할 수 있는 밀봉이나 접합이 필요하지 않다. 상기 주변부(708)와 상기 측면들(710, 712)의 단부는 상기 파우치(702) 자체의 재료 접힘을 통해 결합될 수 있다. 이와 같은 접힘은 조립 단계, 비용 및 공정을 최소화하면서 높은 강도를 제공할 수 있다. 또한, 적어도 주변부(708)를 따른 파우치(702)의 재료는, 예를 들어, 본 명세서에 도시되고 설명된 바와 같이, 셀 하우징의 부분들 사이에 유지될 수 있다. 이와 같은 구성은 또한 바람직하게는 셀(700)의 일부로서의 일체형 통기구를 사용할 수 있다. 이와 같은 통기구는 셀(700)의 임의의 측면 또는 측면들(예를 들어, 주 측면 또는 단변, 단자 또는 대향 단부 등)에 배치될 수 있다. 파우치 구성의 통기구는 다양한 실링 파라미터에 의해 형성되거나 정의될 수 있으며, 접히지 않은 구간과 같은 기계적인 약한 부위를 생성할 수 있다.
셀(700)은 양 측면(710, 712)을 재료의 시트를 중심으로 접어서 형성되므로, 조립시 재료의 굴곡이나 주름이 발생할 수 있다. 조립된 셀에 손상을 주고 약한 부분을 형성할 수 있는 이와 같은 주름과 굴곡을 방지하기 위해, 파우치 내에 선택적 스페이서를 배치할 수 있다. 이와 같은 스페이서는 절연체로 작용할 수 있으며, 또는 파우치 내에 추가 절연체가 배치될 수도 있다. 절연체 및/또는 스페이서는 둥근 코너를 가질 수 있으며, 이에 따라 파우치(702)의 재료를 관통하거나 손상시킬 가능성이 최소화된다. 절연체 또는 스페이서는 또한 금속화된 층이 단락 또는 부식으로 이어질 수 있는 편광을 방지하도록 구성될 수 있다. 또한, 도 7a-7c에 도시된 바와 같은 파우치 구성을 사용함으로써, 단자의 위치 주변에서 셀을 밀봉하기 위한 열이 필요하지 않다는 장점이 있다. 이를 통해 기계적 손상으로 인해 통상적으로 가장 약한 영역에 가장 강한 필름이 있도록 하여 보다 따뜻해질 수 있다. 바람직하게, 이는 보다 높은 동작률을 가능하게 할 수 있다.
본 명세서에 기재된 셀들은 배터리 또는 배터리 조립체로 조립될 수 있으며, 다수의 셀들이 병렬 및 직렬 연결의 임의의 적절한 조합으로 배열되어 대량의 전력을 공급할 수 있다. 이와 같은 셀 조립체는 임의의 수의 셀들을 포함할 수 있다. 셀들의 개수는 배터리 조립체로부터 원하는 출력을 달성하도록 선택될 수 있다. 복수의 셀들을 배터리 조립체에 장착하거나 조립하기 위해, 각각의 셀들은 먼저 셀 프레임에 장착될 수 있다.
도 8a 내지 도 8f를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛(800)의 개략도들이 도시되어 있다. 셀 유닛(800)은 셀(802)와 유닛 프레임(804)을 포함한다. 유닛 프레임(804)은 셀(802)을 수용하고 지지하도록 구성된다. 유닛 프레임(804)은 셀(802)을 지지하고 유사한 유닛 프레임(804) 내의 다른 유사한 셀 (802)에 대한 정렬 기능을 제공하도록 구성될 수 있다. 유닛 프레임(804)의 재료는 셀 유닛(800)이 사용될 필요에 따라 열 절연성 또는 전도성을 가지면서 전기적으로 절연성을 갖도록 선택될 수 있다. 셀(802)은 본 명세서에 도시되고 개시된 셀(예를 들어, 셀들(100, 200, 400, 600, 700)과 유사할 수 있다. 셀(802)은 선택적으로 경사지게 형성된 하우징 측벽(808)을 갖는 셀 하우징(806)을 포함하며, 이는 통기구와 그 주변의 플랜지(810)를 포함한다. 셀(802)은 그의 단부에 단자들(812)을 포함한다.
유닛 프레임(804)은 베이스(814), 아암(816) 및 개방 단부(818)를 포함한다. 상기 유닛 프레임은 연관된 셀의 특정 기하학적 프로파일을 수용하도록 크기 및 형상화될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 둥근 셀이 채용되는 경우, 유닛 프레임은 이와 같은 둥근 셀을 수용하도록 구조적으로 배열되므로, 현재 기술되는 실시예의 직사각형 특성은 제한적인 것이 아니라, 예시적이고 설명적인 목적만을 위한 것이다.
유닛 프레임(804)은 전기적으로 절연성일 수 있고, 원하는 사양에 따라 열전도성 또는 절연성일 수 있다. 유닛 프레임(804)은 실질적으로 개방되어 셀(802)을수용하도록 형성된다. 개방 단부(818)는 셀(802)의 단자(812)를 수용하고 접근을 허용하도록 제공된다. 이와 같이, 개방 단부(818)는 유닛 프레임(804) 내에서 셀(802)의 방향성을 확보하고, 배터리 모듈 또는 다른 조립체에 구성될 때 셀(800)의 배향 및 정렬을 돕기 위해 제공될 수 있다. 베이스(814)는 셀(802)의 경사진 하우징 측벽(808) 및 통기구를 수용하도록 형성될 수 있는 선택적인 오목부(820)를 포함한다. 상기 오목부(820)는 통기구 가스의 통과를 안내 및/또는 셀(802)로부터 통기구 가스의 팽창을 가능하게 하도록 형상화, 배향 및 구성될 수 있다. 이와 같이, 상기 오목부(820)는, 셀로부터 가스가 누출되는 경우에, 가스를 수집하여 셀로부터 멀어지도록 유도하도록 구성되어 있다.
유닛 프레임(804)의 코너들은 셀 유닛(800)을 다수의 셀 유닛들로 구성된 배터리 조립체에 설치할 수 있도록 구성된 장착 기능부(822)를 포함한다. 각 유닛 프레임(804)은 베이스(814)의 면 및/또는 아암(816)을 따라, 오목부 또는 함몰부와 같은 하나 이상의 정렬 기능부(824)를 포함할 수 있다. 상기 정렬 기능부들(824)은, 본 명세서에 기재된 바와 같이, 멀티셀 배터리 조립체로의 조립 시에, 인접한 셀 유닛의 각각의 탭, 돌출부 또는 다른 맞춤 정렬 기능부들과 맞물리도록 구성될 수 있다. 또한, 정렬 기능부(824) 등은 함께 배열된 둘 이상의 셀에 대해 미끄럼 방지 또는 이동 방지 기능을 제공할 수 있다. 일부 구성에서, 상기 정렬 기능부들(824)은, 오목부와 상호 작용하거나 인접한 셀에 결합 또는 접촉하도록 구성될 수 있는 탭, 돌출부, 후크, 리브, 가이드, 도브테일 등으로 구성될 수 있다.정렬 기능을 제공하는 것 외에도,정렬 기능에는 셀 장치의 구성 요소를 정렬하고 함께 고정하는 고정 또는 부착 기능도 포함될 수 있다.
도 8b를 참조하면, 셀 유닛(800)은 셀(802)의 일측 또는 양측에 배치될 수 있는 하나 이상의 셀 절연체(826)를 포함할 수 있다. 셀 절연체(826)는 전기적으로 절연성을 갖도록 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 열전도성(즉, 열저항을 최소화하고 유전 특성을 최대화하기 위해)일 수 있다. 일부 실시예에서, 셀 절연체(826)는 고분자 파우치의 외층(예를 들어, 도 7a-7d의 셀 700과 함께)의 일부일 수 있다. 셀 절연체(826)는 셀(802)의 일면 또는 양면에 배치되는 전기적 절연 구성요일 수 있다. 셀 절연체(826)는 유닛 프레임(804) 상에 장착 기능부(822)에 의해 제자리에 고정될 수 있는 시트형 구조체을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 셀 절연체(826)는, 셀(802) 위에 접히는 단일 시트일 수 있고, 단일 접힌 셀 절연체(826)를 사용하여 셀(802)의 양쪽을 덮을 수 있다. 셀 절연체(826)는, 예를 들어, 비제한적으로 폴리이미드 필름 또는 다른 전기 절연 재료(예를 들어, 폴리이미드 또는 폴리에스테르)로부터 제조될 수 있다. 셀 절연체(826)는 단일 층의 재료로 배열될 수 있다. 상기 층들은 단면 또는 양면(예를 들어, 단면 또는 양면상의 접착제)일 수 있으며, 본 명세서에 설명된 바와 같이 통기구 가스 경로를 규정하기 위해 제공되는 오목부의 커버를 포함 또는 포함하지 않고 구성될 수 있다. 셀 절연체(826)는 접착제 또는 단일 랩 구조체로 셀(802)에 도포될 수 있다.
하나의 비제한적인 예에서, 셀 절연체(826)는 셀 하우징이 전기 전도성 물질로부터 형성되는 구성을 위해 제공된다(다만, 이와 같은 하우징은 중성 물질로부터 형성될 수 있다). 또한, 이와 같은 셀 절연체(826)는 중성 물질로 형성된 셀 하우징에 사용될 수 있다. 폴리이미드 재료는 0.010인치 미만과 같은 적절한 치수, 또는 일부 실시예에서는 0.003인치 내지 0.005인치 일수 있다. 셀 절연체(826)는 재료 선택 및/또는 크기/치수에 기초하여 절연성을 갖도록 구성되어 유전 강도를 최대화하고 열전도성을 최소화할 수 있다. 셀 절연체(826)는 이방성 열전도도 분포를 유발하도록 선택되고 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 셀 절연체(826)는 폴리이미드로 코팅된 열분해 흑연 및/또는 그래핀으로 형성될 수 있다. 셀(802) 상에 셀 절연체(826)를 배치하는 것은, 노출된 금속을 제거하기 위해 셀 표면과 단자(812) 주변의 영역을 커버하기 위한 것이다. 일부 실시예에서, 셀 절연체(826)는 선택적 접착제에 의해 셀(802)에 부착될 수 있다. 또한, 셀 절연체(826)는 가스 관리를 돕기 위해 셀(802)의 통기구와 중첩 및 정렬하기에 충분한 치수일 수 있다.
도 8c를 참조하면, 셀 유닛(800)은 유닛 랩 구조체(828)를 포함할 수 있다. 상기 유닛 랩 구조체(828)는 셀(802), 유닛 프레임(804) 및 셀 절연체(826)를 감싸고 포함할 수 있으며, 이를 통해 장착 기능부(822) 및 단자(812)가 노출되어 접근 가능하도록 할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 비제한적으로, 유닛 랩 구조체 (828)는 임의의 적절한 열전도성 재료(예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금)를 포함할 수 있다. 상기 유닛 랩 구조체(828)는 열 전도체로서 배치될 수 있다. 이와 같이, 유닛 랩 구조체(828)는 면(예를 들어, 셀 하우징의 큰 평면)에서 셀 유닛(800)의 에지로((예를 들어, 유닛 프레임(804)의 아암(816)으로 및 그를 향해)) 열을 유도하고 이동시키도록 설계될 수 있다. 유닛 랩 구조체(828)는 셀 유닛(800)의 셀(802)의 냉각(예를 들어, 열 제거)과 셀(802)의 가열(예를 들어, 열 주입) 모두에 사용될 수 있다. 상기 유닛 랩 구조체(828)는 배터리 조립체에 설치될 때 인접한 셀 유닛으로의 열전달을 제한할 수 있는 이방성 물질(예를 들어, 열분해 흑연, 그래핀 등)로 형성될 수 있다.
또한, 유닛 랩 구조체(828)는, 셀 유닛(800)의 원하는 구현 및 용도에 따라 전기 전도성 또는 전기 절연성으로 구성될 수도 있다. 상기 유닛 랩 구조체(828)는, 예를 들어, 전기 절연체를 포함하는 복합 재료 또는 다층으로 형성될 수 있다. 상기 유닛 랩 구조체(828)의 재료 두께는 예를 들어 0.001인치 내지 0.040인치 등 임의의 적절한 두께일 수 있다. 통상의 기술자들은 셀(802)의 표면을 따라 유닛 랩 구조체(828)의 심(seam)이 회피되어 화학적 성질에 대한 해로운 영향을 회피할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 랩핑 구조로 도시되어 있지만, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 다른 형태의 열 관리가 사용될 수 있다. 셀 유닛(800)의 열관리에는, 예를 들어, 히트 파이프, 냉각판, 코팅 및/또는 열분해 흑연이 사용될 수 있다.
도 8d는 셀 유닛(800)이 다수의 셀 유닛을 갖는 배터리 조립체 내에 설치되기 전과 같이, 완전히 조립된 상태로 도시되어 있다. 상기 유닛 랩 구조체(828)는 셀 유닛(800)의 다른 구성 요소들을 감싸는 한 장의 접힌 물질일 수 있다. 유닛 랩 구조체(828)는 열전도성 재료로 형성될 수 있으므로, 셀 유닛(800)과의 열전달이 가능하다.
도 8e는 장착 기능부(822)와 셀 절연체(826)를 확대하여 도시한다. 본 실시예에서 또한 도시된 바와 같이, 각각의 장착 기능부(822)는 보스(830)를 포함한다. 보스(830)는 본 명세서에 설명된 바와 같이 배터리 모듈에 결합 및 장착하기 위한 관통공을 정의한다. 보스(830)는 또한 유닛 프레임(804)의 재료로부터 외측으로 연장된다. 보스(830)의 이와 같은 확장은 셀 절연체(826)의 설치 및 유지를 가능하게 한다. 따라서, 일부 실시예에서, 셀 절연체(826)는, 셀 유닛(800) 내에 셀 절연체(826)를 부착하기 위한 테이프, 접착제 또는 기타 메커니즘의 사용을 피하기 위해 유닛 프레임(804) 및 셀 유닛 내부에 설치될 수 있다. 장착 기능부(822) 및/또는 보스(830)는 인접한 셀의 적층 및 정렬을 보조하거나 허용하도록 구성될 수 있다. 일부 구성에서는 적층체 바인딩을 최소화하기 위해 보스의 반경을 선택할 수 있다. 보스 구성으로 도시되지만, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 장착 기능부의 다른 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 방사형 구성(확장 보스 없음), 반경 및 보스 구성, 연동 보스 등이 사용될 수 있다.
도 8f를 참조하면, 셀 유닛(800)의 단면 개략도가 도시되어 있다. 도 8f에 도시된 바와 같이, 유닛 프레임(804)의 아암(816)은 하나 이상의 에어 갭(832)을 포함하고 있다. 에어 갭(832)은 셀(802)로부터 유닛 프레임(804)의 아암(816)을 가로질러 무게를 감소시키고 열전도율을 감소시킬 수 있는 선택적인 기능일 수 있다. (예를 들어,정렬 기능(824)에 의해 규정되는) 유닛 프레임(804)의 아암(816) 내에서 채널 또는 홈에 의해 형성되는 에어 갭(832)은 열 경로 길이를 증가시킨다. 이와 같은 증가된 열 경로 길이는 에어 갭(832)을 규정하는 유닛 프레임(804)의 아암(816)의 폭으로 인해 한 셀로부터 인접한 셀로의 열 전달을 지연시킬 수 있다. 에어 갭은 랩 구조체와 셀 케이스 또는 전기 절연체 사이의 열 접촉 저항이 최소화되어 셀 유닛으로부터(또는 셀 유닛으로) 멀어지는 열 흐름을 개선하도록 랩 구조체를 단단히 조이기 위해 사용될 수 있는 공간을 정의할 수 있다. 예를 들어, 둘 이상의 셀 유닛들이 적층될 때, 압축은 랩 구조체의 일부를 공기 갭 안으로 들어가게 하고, 이와 같은 압축은 랩의 일부를 변형시켜 인접한 셀 유닛들 사이에 밀봉 또는 단단한 접촉을 제공할 수 있다. 이는 배터리 조립체 내에서 중대한 장애가 캐스케이드되는 것을 방지하거나 감소시킬 수 있기 때문에 바람직하다(예를 들어, 단일 셀 장애로 인해 추가적인 셀 장애가 발생하지 않는다). 어떤 실시예들에서, 정렬 기능부들(824)은 셀 유닛(800)이 조립될 때, 에어 갭(832)을 규정하고 형성하는 동시에 두 정렬 기능부들을 제공하도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 상기 정렬 기능부들(824)은, 인접한 셀들 사이의 열전도 및 셀 본체와의 전기전도를 억제하면서 셀(802)로의 열전도를 촉진하도록 구성될 수 있다.
도 8a, 도 8f에 도시된 바와 같이, 유닛 프레임(804)의 아암(816)은 치수 D0를 가질 수 있다. 치수 D0는 유닛 프레임(804) 내에 설치될 때 셀(802)과 평면 방향이다. 치수 D0는 용도에 따라 또는 다른 용도로 다양한 크기로 제공될 수 있다. 유닛 프레임(804)의 치수(D0)는, 예를 들어, 셀(802)의 플랜지를 지지하기 위해, 열적 특성(예를 들어, 열 절연)을 제공하기 위해, 또는 다른 이유로 선택될 수 있다. 이와 같은 실시예들에서, D0의 치수는 셀로부터 멀리 열을 분배하거나 셀로 열을 유도하기 위한 제어된 열 경로를 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 보다 큰 차원의 D0를 제공하면, 다수의 셀 유닛들이 함께 적층될 때 셀 유닛들 사이의 열 절연체가 보다 균일하게 열을 분배할 수 있도록 열 경로를 증가시킬 수 있다. 본 발명의 일부 비제한적인 실시예들에 따르면, 상기 유닛 프레임(804)의 치수(D0)는 0.05인치 내지 0.5인치, 0.1인치 내지 0.3인치, 0.15인치 및 0.25인치 등을 포함할 수 있다.
도 8a 내지 도 8f의 전술한 셀 유닛(800)에서, 셀 절연체(826)와 유닛 랩 구조체(828)는 미리 형성된 클래드부일 수 있다. 본 발명 및 설명의 임의의 수의 구성 요소는 전술한 특징 및 기능을 갖는 단일 구조로 일체적으로 형성될 수 있으며, 본 명세서에 도시된 별도의 성질이 제한적으로 의도되는 것은 아니라는 것은 통상의 기술자들에게 인정될 것이고, 이는 예시 및 설명 목적으로만 제공된다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 셀 유닛(900)의 개략도들이 도시되어 있다. 도 9a는 조립된 셀 유닛(900)을 도시하고, 도 9b는 셀 유닛(900)의 유닛 랩 구조체(902)에 대한 두 가지 예시적인 옵션을 도시하고, 도 9c는 랩된 셀 유닛들의 서로 다른 구성을 도시하고 있다. 본 실시예에 도시된 바와 같이, 도 9a에서 유닛 랩 구조체(902)는 치형의 기하학적 형상(904)을 포함하고 있다. 치형의 기하학적 형상(904)은 유닛 랩 구조체(902)의 대향하는 에지에 위치할 수 있다. 도 9b에 도시된 바와 같은 일부 실시예들에서, 두 개의 유사하고 일치하는 랩부(906)가 사용될 수 있고 치형의 기하학적 형상(904)은 셀 유닛(900)의 (예를 들어, 유닛 프레임의 대향 아암을 따라) 두 위치들에 존재할 것이다. 다른 실시예에서, 유닛 랩 구조체(902)에는 보다 큰 단일 시트 또는 랩(908)이 사용될 수 있다. 이와 같은 실시예들에서, 셀 유닛(900)은 하나의 위치에 단일 치형 구조를 가질 수 있다. 일부 실시예에서는, 예를 들어 비제한적으로 테이프, 접착제 또는 필름을 사용하여 셀 유닛 (900)에 대해 유닛 랩 구조체(902)를 고정할 수 있다.
도 9c를 참조하면, 각각의 셀 조립체(910a-910e)를 감싸는 서로 다른 구성의 유닛 랩 구조체(912a-912e)가 도시되어 있다. 도 9c에 도시된 구성은 도 8c에 도시된 유닛 랩 구조체(828)의 서로 다른 실시예 및 구성을 대표할 수 있다.
제1 구성에서, 상기 유닛 랩 구조체(912a)는 셀 조립체(910a)의 주요 일측에만 배치된 단일 시트의 재료이다. 이와 같이, 단일 시트의 재료는 셀 조립체(910a)의 하나의 주 측면(914)만을 덮도록 배치될 수 있다.
제2 구성에서, 상기 유닛 랩 구조체(912b)는 셀 조립체(910b)의 2개의 주 측면(914, 918) 및 부 측면(916) 주위에 배치된 단일 시트의 재료이지만, 셀 조립체(910b)의 외부 주위로 완전히 연장되지는 않는다. 이와 같은 구성에서, 유닛 랩 구조체(912b)는 셀 조립체(910b)의 제1 주 측면(914), 부 측면(916) 및 제2 주 측면(918)을 커버하지만, 제2 부 측면(920)을 커버하도록 연장되지는 않는다.
제3 구성에서, 상기 유닛 랩 구조체(912c)는 셀 조립체(910c)의 외부를 전체적으로 감싸는 단일 시트의 재료(예를 들어, 360° 랩)이다. 이와 같은 구성에서, 유닛 랩 구조체(912c)는 셀 조립체(910c)의 제1 주 측면(914), 제1 부 측면(916), 제2 주 측면(918) 및 제2 부 측면(920)에 걸쳐 연장되어 있다.
제4 구성에서, 상기 유닛 랩 구조체(912d)는, (예를 들어 약 450° 랩과 같은) 이중 랩핑의 단면을 포함하는 셀 조립체(910d)를 감싸는 단일 시트의 재료이다. 이와 같은 구성에서, 유닛 랩 구조체(912c)는 셀 조립체(910c)의 제1 주 측면(914), 제1 부 측면(916), 제2 주 측면(918) 및 제2 부 측면(920)에 걸쳐 연장된 후, 다시 제1 주 측면(914)에 걸쳐 연장된다.
제5 구성에서, 상기 유닛 랩 구조체(912e)는 거의 완전한 이중 랩핑(예를 들어, 약 720° 랩)을 포함하는 셀 조립체(910e)를 감싸는 단일 시트의 재료이다. 이와 같은 구성에서, 유닛 랩 구조체(912c)는 셀 조립체(910c)의 제1 주 측면(914), 제1 부 측면(916), 제2 주 측면(918) 및 제2 부 측면(920)에 걸쳐 연장되고, 다시 제1 주 측면(914), 제1 부 측면(916) 및 제2 주 측면(918)에 걸쳐 연장된다.
도 9c의 도면 및 구성은 예시적으로서만 제공되는 것으로 이해될 것이다. 본 발명의 실시예들에 따른 유닛 랩 구조체들은 셀의 단일 면에 배치될 수 있고, 셀을 1회 감쌀 수도 있고, 셀 조립체들의 주 측면들과 부 측면들이 여러 번 커버될 수 있도록 셀을 여러번 또는 부분적으로 감쌀 수도 있다. 사용시 셀 조립체의 부/짧은측면들은 열이 모여져 셀로 전달되거나 셀에서 멀어질 수 있다. 따라서, 이 열 전달을 최적화하기 위해 주 측면과 부 측면의 랩들의 수를 선택할 수 있다. 또한, 주 측면 또는 부측면만 커버되고, 랩 구조체에 의해 커버되지 않은 다른 면(부 측면 또는 주 측면)을 남기는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 유닛 랩 구조체의 구체적인 기하학적 구조 및 형상은 상기 설명 및 예시적인 실시예들에 의해 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 상기 유닛 랩 구조체의 종단 또는 단부는 상기 유닛 프레임의 에어 갭과 정렬될 수 있다. 일부 실시예에서, 중첩 심(예를 들어, 랩의 단부)은 완전한 랩을 약간 넘어 연장될 수 있으며, 이에 따라 랩의 기본 부분과 계속해서 겹칠 수 있는 추가적 길이/재료를 제공할 수 있다. 이와 같은 연장부는 랩 유닛이 유닛 프레임의 표면밑 갭으로 조여질 수 있도록 하는 간섭 기능을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 또는 배터리 조립체 내에 설치되도록 구성된 셀 유닛(1000)이 도시되어 있다. 본 발명의 셀 유닛들은 향상된 패킹 효율을 제공함으로써, 고효율의 배터리 모듈 및 배터리 조립을 가능하게 한다. 도시된 바와 같이, 셀 유닛(1000)은 상기 도시되고 설명된 셀 유닛들과 실질적으로 유사하게 형성된다. 셀 유닛(1000)은 유닛 프레임(1004) 내에 배치된 셀(1002)를 포함한다. 셀 절연체(1006)는 셀(1002)에 대해 상대적으로 배치되며 유닛 랩 구조체(1008)에 의해 경계를 이룬다. 절연체 요소(1010)는 셀 유닛(1000)에 배치된다. 셀 유닛(1000)은 높이(H), 폭(W) 및 두께(T)를 가지고 있다. 높이(H) 및 폭(W)은 예를 들어 셀 절연체(1006)에 의해 규정되는 평면을 규정하고, 두께(T)는 높이(H) 및 폭(W)에 의해 규정되는 평면에 수직인 치수이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛(1000)의 하나의 비제한적인 예에서, 0.4 인치의 두께를 갖는 셀 케이스 또는 케이스에서, 각 셀 절연체(1006)는 0.001 인치의 재료 두께를 가질 수 있고, 유닛 랩 구조체(1008)는 0.002 인치의 두께를 가질 수 있으며, 셀 유닛(1000)에 설치되는 절연체 요소(1010)의 두께는 0.005인치일 수 있다. 이를 통해 두께(T) 치수의 방향으로 97.3%의 패킹 효율을 얻을 수 있다. 이와 같은 패킹 효율은 물리적 치수 및 열전도성 경로 길이와 관련하여 제공되며 이방성 열 전달(예를 들어, 평면 HW에서는 높은 전도도, 방향 T에서는 매우 낮은 전도도)을 제공한다. 예를 들어, 면내 높은 전도도는 방향 T의 낮은 전도도보다 2배 이상 클 수 있다(예를 들어, 면내 열전도도는 실리카(0.5 W/mK)의 10배 내지 1,000배이고, 면내 열전도도는 실리카의 1배 내지 0.01배이다). 실시예들에 따르면, 평면 HW에서는 열 플럭스가 높고 T방향에서는 열 플럭스가 낮은 것이 유리할 수 있다. 열 플럭스는 단위 시간당 유닛 면적당 에너지 흐름이다.
도 11a-11b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 유닛(1100)의 개략도가 도시되어 있다. 도 11a는 셀 유닛(1100)의 단면도이고, 도 11b는 도 11a에 도시된 B-B선을 따라 본 도 11a의 셀 유닛(1100)의 단면도이다.
셀 유닛(1100)은 셀 하우징(1106) 내에 배치된 전극 적층체(1104)를 갖는 셀(1102)을 포함한다. 셀(1102)은 외부 전기 연결을 위한 단자(1108)(예를 들어, 양극 단자 및 음극 단자)을 포함한다. 셀(1102)은 유닛 프레임(1110) 내에 장착된다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 셀(1102)의 대향측에는 셀 절연체(1112)가 배치되어 있다. 셀(1102), 유닛 프레임(1110) 및 셀 절연체(1112)는 유닛 랩(1114) 내에 감싸여 있다. 유닛 프레임(1110)은 셀(1102)의 하우징 측벽 및 통기구를 수용하도록 형성된, 경사진 또는 평탄하게 형성된 오목부(1116)를 포함한다. 셀 유닛(1100)의 일측에는 유닛 랩(1114)의 외부에 배치되는 절연체 요소(1118)가 부착되어 있다.
도시된 바와 같이, 셀 유닛(1100)은 폭(1120), 견부 높이(1122)(단자(1108 제외), 총 높이(1133) 및 두께(1124)(절연체 요소 1118 제외)를 가지고 있다. 하나의 비제한적인 예에서, 상기 셀 유닛(1100)의 폭(1120)은 6.082인치이고, 상기 셀 유닛(1100)의 높이(1122)는 6.045인치이고, 상기 셀 유닛(1100)의 두께(1124)는 0.404인치일 수 있다. 이들 측정/치수 및 후속 측정/치수는, 예시 및 설명 목적으로만 제공되며 어떠한 방식으로도 제한되지 않는다. 통상의 기술자가 인정하는 바와 같이, 셀 유닛 및 기타 구성 요소의 다양한 측면의 치수 및 상대 치수는 원하는 특성, 중량, 재료 등과 관련된 고려사항 및/또는 기타 고려사항에 따라 설정될 수 있다.
도 11a는 셀 유닛(1100)의 구성 요소들의 높이 및 폭 방향/치수(척도대로가 아닌)에 대한 상대적인 치수를 도시한다. 폭 방향 또는 치수에 있어서, 셀(1126)의 폭(1126)은 6.000인치이고, 유닛 프레임(1110)은 셀(1102)의 각 측에서 두께(1128)가 0.400인치이고, 유닛 랩(1114)은 두께(1130)가 0.001인치이다. 높이 방향 또는 치수에서, 셀(1102)은 높이(1132)가 6.000인치(단자 1108 포함)이고, 유닛 프레임은 높이(1134)가 0.400인치이고, 오목부(1116)는 높이 치수에서의 높이(1136)를 0.025인치 만큼 연장할 수 있다.
도 11b는 두께 방향/치수에 대한 구성 요소들의 상대적인 치수(척도대로가 아닌)를 도시한다. 두께 방향 또는 치수에 있어서, 셀(1102)의 두께(1138)는 0.400인치이고, 셀 절연체(1112)는 셀(1102)의 각 측에 0.001인치의 두께(1140)를 가지며, 유닛 랩(1114)은 셀(1102)의 각 측에 0.001인치의 두께(1142)를 갖는다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 절연체 요소(1118)는 두께(1144)가 0.005인치일 수 있다.
결과적으로, 0.4 인치 두께의 셀(1102)의 경우, 셀 절연체(1112)로부터의 전기 절연체는 +0.002 인치를 추가하고, 절연체 요소(1118)의 형태의 열 절연체는 +0.005 인치를 제공한다. 이로 인해 셀 유닛 대비 셀의 비율인 두께 효율이 셀 두께 방향으로 약 97.8% 패킹 효율이 발생한다. 6인치 와이드 셀(1102)의 경우, 유닛 랩(1114)은 +0.002인치를 추가하고 유닛 프레임(1110)은 +0.080인치를 추가한다. 이를 통해 약 98.6%의 패킹 효율을 얻을 수 있다. 6" 높이의 셀(1102)의 경우, 유닛 프레임(1110)은 +0.040인치를 제공하고 통기구 기능부의 오목부(1116)는 +0.025인치를 추가하여 98.9%의 패킹 효율을 제공한다. 이를 종합하면 셀 볼륨 대비 95% 이상의 총 체적 효율이 발생하지만 보다 큰 질량 또는 체적에 대한 특정 에너지 또는 특정 전력 감소는 발생하지 않는다.
바람직하게, 상기 셀 유닛들은 열전도도(예를 들어, 직접적인 셀 대 셀 열전도도)를 감소시키고 열 경로 길이를 증가시키기 위해 셀들 사이에 에어 갭을 제공하는 유닛 프레임들을 포함할 수 있다. 유닛 프레임은 베이스에 홈을 포함하며, 이 홈은 셀의 통기구와 정렬되어 통기구 가스를 유도하고 유입시키는 데 도움이 될 수 있다. 유닛 프레임은 UL 표준 94-V0(예를 들어, 플라스틱 및 기타 복합 재료)을 준수하는 재료와 같은 불연성 재료로 제작될 수 있다. 일부 구성에서, 유닛 프레임은 유닛 프레임과 통합되거나 (예를 들어, 부착된) 분리된 열 실드를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이와 같은 열 실드는 전술한 에어 갭을 제거하거나 대체하기 위해 사용될 수도 있고, 이와 함께 사용될 수도 있다. 유닛 프레임은 셀 유닛의 측면에서 전기 절연체 역할을 할 수 있다.
도 12a 내지 도 12c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1200)의 개략도가 도시되어 있다. 배터리 모듈(1200)은 서브모듈에서 전기적으로 연결될 수 있는 복수의 셀 유닛(1202)을 포함한다. 일부 비제한적인 실시예들에서, 배터리 모듈(1200)은 전력의 균일하고, 고율이며, 고출력의 방전을 공급하도록 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 셀 유닛(1202)은 적층되어 서브모듈(1203a, 1203b, 1203c)을 형성하고, 이들은 조립되어 배터리 모듈(1200)을 형성하고 있다.
본 실시예에서, 셀 유닛(1202)은 제1 엔드 플레이트(1204)와 제2 엔드 플레이트(1206) 사이에 배치되고 타이 로드(1208)를 따라 제자리에 고정된다. 타이 로드(1208)는 개별 셀 유닛(1202)의 장착 형상 및/또는 보스/아퍼처를 통과할 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 다른 장착 기능부 및/또는 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 압축 부하 모듈에서 셀 유닛이 타이 로드에 상호 정렬될 수 있도록 하는 모든 기능이 사용될 수 있다. 이와 같은 기능에는 클램프, 핀 앤 슬롯 배열, 타이 로드, 타이, 스냅, 고속 등이 비제한적으로 포함될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 셀 유닛들이 인접한 셀 유닛들을정렬하고 결합하는 돌출부들과 오목부들을 포함하여, 본 명세서에 개시된 것들과 유사한 부착/결합 특징들을 갖는 프레임들을 포함하는 경우, 상기 타이 로드들은 생략될 수 있다.
하나 이상의 방화벽(1(210))이 셀 유닛(1202)의 그룹들 사이에 배치될 수 있다. 도시된 바와 같이, 서브모듈(1203a, 1203b, 1203c)은 방화벽(1(210))에 의해 분리된다. 방화벽(1(210))은 배터리 모듈(1200) 전체를 통해 확산되는 것을 허용하는 것이 아니라, 화재가 시작될 경우 화재의 전파를 최소화하고 서브모듈(1203a, 1203b, 1203c)로의 전파를 제한하도록 구성될 수 있다. 방화벽(1(210))은 방화벽(1(210))을 서브모듈(1203a, 1203b, 1203c) 및/또는 서브모듈(1203a, 1203b, 1203c)의 인접 셀 유닛(1202)에 정렬 및/또는 부착하는 기능부를 포함할 수 있다.
본 실시예는 3개의 서브모듈(1203a, 1203b, 1203c)을 포함하지만, 본 발명의 배터리 모듈은 단일 서브모듈, 2개의 서브모듈, 3개의 서브모듈, 4개의 서브모듈 또는 임의의 개수의 서브모듈로 구성될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 본 실시예에서, 각 서브모듈들(1203a, 1203b, 1203c)은 14개의 셀 유닛(1202)을 포함한다. 본 발명의 서브모듈들은 여기에 도시된 14개의 셀 유닛들보다 적거나 큰 임의의 수의 셀 유닛들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 서브모듈당 셀 유닛의 수는 예를 들어 원하는 전력 용량 및/또는 전력 출력을 달성하도록 선택할 수 있으며, 중량, 부피 또는 기타 고려 사항에 기초할 수 있다. 또한, 상기 서브모듈들은 각 서브모듈에서 셀 유닛의 개수가 동일할 필요는 없으며, 일부 실시예에서, 상기 배터리 모듈의 하나의 서브모듈은 상기 배터리 모듈의 다른 서브모듈보다 셀 유닛의 개수가 많거나 적을 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도 12b-12c는 배터리 모듈(1200)의 각종 조립 단계들을 도시하고 있다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 타이 로드(1208)는 제1 엔드 플레이트(1204)로부터 연장된다. 타이 로드(1208)는 제1 엔드 플레이트(1204)(또는 제2 엔드 플레이트(1206)의 일부와 일체로 형성될 수도 있고, 하나 이상의 체결구, 용접, 접합 또는 접착제에 의해 부착될 수도 있다. 배터리 모듈(1200)을 조립할 때, 인접한 셀 유닛(1202)들 사이에 절연체 요소(1212)가 사용되어 배치될 수 있다. 절연체 요소(1212)는 전술한 바와 같이 임의의 적절한 재료(예를 들어, 에어로겔 페이퍼, 세라믹 페이퍼, 현무암 직조 섬유) 및/또는 에어 갭을 포함할 수 있다. 인접한 셀 유닛들(1202) 사이에 배치된 절연체 요소(1212)는 인접한 셀 유닛들(들)이 아닌 다른 것으로의 신속한 열 전달 및 분배를 가능하게 할 수 있다. 절연체 요소(1212)는, 예를 들어, 하나의 셀 유닛(1202)에서 인접한 셀 유닛(1202)으로 열이 직접 전달되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 도 12c에 도시된 바와 같이, 방화벽(1(210))은 셀 유닛(1202)의 그룹 설치 후에 제공될 수 있으며, 도 12a에 도시된 바와 같이 셀 유닛(1202)의 서로 다른 그룹 또는 세트 사이에 배치될 수 있다. 방화벽(1(210))은 열전도율이 낮고 가연성이 제한적이거나 없는 재료로 형성될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 방화벽(1(210))은 조립된 구조체에 지지 및/또는 강성을 제공하기 위해 상대적으로 높은 재료 또는 기계적 강도를 가질 수 있다. 선택된 물질은, 예를 들어, 가연성이 제한적이거나 없는 열전도도(예를 들어, <10 W/mK)를 가질 수 있다(예를 들어, 가연성 표준 UL 94-V0).
본 발명의 일부 실시예에 따른 절연체 요소(1212)는 낮은 열전도도(예를 들어 <10W/mK)를 갖는 재료로 형성될 수 있고, 가연성이 제한적이거나(예를 들어, 가연성 표준 UL 94-V0에 따름)될 수 있다. 절연체 요소(1212)가 2개의 셀 유닛(1202) 사이에 배치되는 경우, 인접한 2개의 셀 유닛(1202)의 면간 거리(절연체 요소(1212)를 통해)는 예를 들어 0.020인치 이하일 수 있다. 그러나, 강력한 열 절연체 소자(1212)를 사용하면, 에지로의 열 경로는 125배 거리인 2.5인치일 수 있으며, 하나의 셀 유닛(1202)에서 다른 셀 유닛(1202)으로의 긴 열 경로를 확보할 수 있다. 일부 비제한적인 실시예들에 따르면, 상기 절연체 요소들(1212)의 두께는, 예를 들어, 0.005인치 내지 0.100인치의 적절한 치수일 수 있고, 두께는 0.011인치일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 절연체 요소(1212)의 재료 선택 및 치수는 적절한 비율을 얻기 위해 선택될 수 있다. 예를 들어 도체와 절연체의 두께 비율은 재료 및 용도에 따라 1:3과 1:6 사이로 최적화할 수 있다. 절연체의 목적은 하나의 셀에서 인접한 셀 및 모듈의 다른 모든 셀로의 열 경로를 인접한 셀을 분리하는 작은 거리보다 더 가깝게 만드는 것이다. 이와 같이, 본 명세서에 설명된 구체적인 치수는 제한되지 않으며, 오히려 예시적인 목적만을 위한 것이다.
도 12a는 복수의 셀 유닛(1202)의 측면을 따라 배열되며, 주어진 서브모듈(1203a, 1203b, 1203c)에서 복수의 셀 유닛(1202)들(예를 들어, 3개 이상)과 열 연통되도록 배열될 수 있는 열전달 장치(1214)를 도시한다. 비제한적인 예에서, 각각의 서브모듈(1203a, 1203b, 1203c)은, 각각의 서브모듈(1203a, 1203b, 1203c)의 셀 유닛(1202) 각각에 열 연통하여 각각의 서브모듈(1203a, 1203b, 1203c)의 측부를 따라 배열된 하나 이상의 열전달 장치(1214)를 포함할 수 있다. 열전달 장치(1214)는 개별 셀 유닛(1202)들로부터 열을 받아 서브모듈(1203a, 1203b, 1203c)의 모든 셀 유닛(1202)들에 상기 열을 분배하도록 구성된다. 증가된 열 경로 길이(예를 들어, 전술한 치수 D0)를 포함함으로써, 셀 유닛(1202)에서 열전달 소자(1214)로의 열전달을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 증가된 열 경로(예를 들어, 치수 D0)는 열 전달 장치(1214)의 평면을 통한 열의 측면 분포보다 인접한 셀(적층체 내)에 대한 높은 열 저항을 달성하도록 선택될 수 있다. 이에 따라 열전달 장치(1214) 전체에 걸쳐 열이 보다 균일하게 분포될 수 있다. 열전달 장치(1214) 전체의 균일한 열분포는 단일 셀 유닛(1202)의 열부하를 배터리 모듈(1200)의 복수의 셀 유닛(1202)을 통해 분산시킬 수 있고 및/또는 배터리 모듈(1203a, 1203b, 1203c) 전체에 걸쳐 보다 균일한 열분포를 제공할 수 있다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1300)의 개략도가 도시되어 있다. 배터리 모듈(1300)은 방화벽(1304)을 사이에 두고 서브모듈(1303a, 1303b, 1303c)에 배치된 복수의 셀 유닛(1302)을 포함하고 있다. 제1 엔드 플레이트(1306) 및 제2 엔드 플레이트(1308)는 서브 모듈(1303a, 1303b, 1303c)의 적층체을 결합하도록 배열된다. 이와 같은 구성에서, 배터리 모듈(1300)은 하나 이상의 열전달 소자(1310)를 포함한다. 상기 열전달 장치(1310)는 유닛 프레임들 또는 개별 셀 유닛(1302)의 외측면들과 열적으로 접촉하여 개별 셀 유닛(1302)에 열을 가하거나 제거할 수 있다. 일부 구성에서, 열전달 소자(1310)는 배터리 모듈(1300)의 셀 유닛(1302)에 균일한 열 입력을 제공하기 위한 열 경로를 제공하도록 부착될 수 있다. 이와 같은 일부 실시예에서, 열 절연체는 인접한 셀 유닛들(1302) 사이에 배치될 것이고, 따라서, 열 절연체와 열 전달 장치(1310)의 조합을 통해 열 분포를 제어할 수 있다. 열전달 소자(1310)는 에폭시 및/또는 열전도성 접착제를 사용하여 배터리 모듈(1300)에 장착되거나 또는 다른 방식으로 부착될 수 있다. 상기 열전달 소자(1310)는 예를 들어 알루미늄, 열분해 흑연, 그래핀, 다이아몬드 및/또는 구리로 이루어질 수 있다. 다른 구성에서는 플레이트 대신 히트 파이프를 사용할 수 있다. 또한, 배터리 모듈(1300)의 저온 동작 및 성능을 효율적으로 향상시키기 위해 열전달 소자(1310)에 하나 이상의 히터(1312)가 설치될 수도 있다. 또한, 각각의 히터(1312)는 배터리 모듈의 셀들 중 하나, 일부 또는 모든 셀에 걸쳐 연장될 수 있다. 일부 실시예에서, 열전달 소자(1310)는 히터(1312)의 표면에 결합되거나 다른 방식으로 부착될 수 있다.
배터리 모듈(1300)에서, 개별 셀 유닛(1302)은, (예를 들면, 상술한 바와 같이) 이 개별 셀 유닛(1302)의 에지를 향해 열을 유도하고 분배하도록 설계될 수 있다. 이는 열전도체 및 열 절연체를 사용하여 달성할 수 있다. 그러나, 이와 같은 에지로의 열 이동은 하나의 셀 유닛(1302)에서 다른 셀 유닛(1302)으로의 열 전파를 방지하기에는 충분하지 않을 수 있다. 열 전달 장치(1310)는 배터리 모듈(1300)에 추가적인 열 싱크 또는 도체를 제공한다. 열전달 장치(1310)는 단일 셀 유닛(1302)의 비정상의 에너지가 큰 열질량으로 빠르게 확산되어 셀 유닛의 고장 시 열 구배를 제한할 수 있도록 열 질량을 서로 연결할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 따른 열전달 장치(1310)는 0.005인치 내지 0.125인치 등 임의의 적절한 치수를 가질 수 있다. 열전달 장치(1310)는 유닛 프레임 또는 그로부터 랩에 결합(예를 들어, 용접 또는 에폭시화)될 수 있다. 즉, 일부 실시예에서, 열전달 장치(1310)는 배터리 모듈(1300)의 개별 셀부(1302)와 직접적인 재료 및 열적으로 연결되어 부착 배열될 수 있다. 어떤 실시예에서, 열전달 장치(1310) 또는 열전달 장치(1310) 상의 히터는 히터 효율을 향상시키기 위한 층 또는 코팅을 포함할 수 있다(예를 들어, 열전달 장치(1310)의 외측에서, 열을 셀 유닛(1302) 내부로 향하도록 한다).
도 12a 내지 도 12c 및 도 13의 배터리 모듈들은, 셀 유닛들의 단자들이 모두 배터리 모듈의 일측면에 노출되도록, 모두 동일한 방향으로 정렬 또는 배향될 수 있다. 또한, 셀 유닛의 통기구는 모두 통기 가스의 수집, 방향 및 제어가 달성될 수 있도록 동일한 방향/측면으로 배치 및 배향될 수 있다(예를 들어, 단자 또는 기타 민감한 구성 요소로부터 멀리). 일부 실시예들에서, 가스가 배터리 모듈의 민감한 부분들로부터 벗어나도록 유도하는 추가적인 구조들이 제공될 수 있다. 인접한 셀 유닛들은 복수의 인접한 셀 유닛들의 중앙 위치를 통해 배기 가스와 유사한 구성 내로 둘 이상의 인접한 셀 유닛들을 배열할 수 있는 프레임들 또는 프레임 구조들을 포함할 수 있다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방화벽(1400)의 개략도들이 도시되어 있다. 방화벽(1400)은 본 명세서에 도시되고 설명된 바와 같은 배터리 모듈에 사용될 수 있으며, 이와 같은 배터리 모듈에서 셀 유닛들의 그룹들 사이에 배치될 수 있다. 도시된 바와 같이, 방화벽(1400)은 하나 이상의 선택적 방화벽 범퍼 (1402)을 포함할 수 있다. 방화벽 범퍼(1402)는 타이 로드와 결합하여 통과하도록 배치될 수 있다. 예시적인 구성에서, 방화벽 범퍼들(1402)은 견부 요소와 부싱을 포함하고, 따라서 이들은 방화벽(1400)에 부착될 수 있는 별도의 요소들이다. 다른 실시예에서, 방화벽 범퍼는 방화벽에 부착된 멀티 피스 또는 단일 피스 요소일 수 있고, 방화벽과 통합적으로 형성될 수도 있고, 또는 전체적으로 생략될 수도 있다. 일부 실시예에서, 상기 방화벽 범퍼(1402)는 배터리 모듈의 타이 로드의 구조적 지지 및 보강을 제공하도록 구성될 수 있다. 방화벽(1400)은 재료나 기계적 강도가 상대적으로 높고, 가연성이 제한적이거나 전혀 없는 재료로 만들어지거나 형성될 수 있으며, 낮은 열전도율을 가져야 한다. 범퍼 및 부싱은 필요하지 않지만 쉽게 조립할 수 있도록 사용될 수 있다. 이와 같은 범퍼 및/또는 부싱이 생략된 경우, 정렬/조립을 위해 방화벽의 형상/형상/구조에 있는 다른 기능부를 사용할 수 있다.
작동 중에 셀 유닛이 과열되면 개별 셀 유닛에서 가스를 배출할 필요가 있을 수 있다. 또한, 여분의 열이 우선적으로 또는 직접적으로 다른 셀 유닛으로 전달되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 목표는 모듈의 다른 모든 셀 유닛으로 열을 전달하여 열 구배를 최소화하고 손상된 셀의 최대 온도를 낮추는 것이다. 이와 같은 방지는 다수의 셀 유닛의 계단식 과열을 방지할 수 있다. 열 흐름을 제어하는 메커니즘은 셀 유닛들의 전기화학적 요소들을 수용하는 절연체들과 재료들을 사용하는 것이고, 조립시 배터리 모듈의 재료들과 구성을 사용하는 것이다. 또한, 셀 유닛 내부의 통기구들을 유닛 프레임들과 결합하여 사용하고 배열하는 것은 셀 유닛의 과열 가스를 제어하는 것을 돕기 위해 사용될 수 있다.
도 15a 내지 도 15b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1500)의 일부에 대한 개략도가 도시되어 있다. 도 15a 내지 도 15b에서 배터리 모듈(1500)은 제1 셀부(1502)와 제2 셀부(1504)를 포함하고 있다. 하나 이상의 절연체 요소(1506)가 제1 셀 유닛(1502)과 제2 셀 유닛(1504) 사이 및/또는 인접하게 배치된다. 제1 셀 유닛(1502) 및 제2 셀 유닛(1504)의 각각은 본 명세서에 도시되고 설명된 바와 같이 통기구를 포함할 수 있는 선택적인 경사진 하우징 측벽(1508)을 포함한다. 제1 셀부(1502)와 제2 셀부(1504)의 배열은 조립시 트레이 통기구 구조(1510)를 정의할 수 있다. 트레이 통기구 구조체(1510)는 인접한 셀 유닛(1502, 1504)의 유닛 프레임 베이스들(1512, 1514) 사이에 규정된다. 트레이 통기구 구조(1510)는 셀 유닛(1502, 1504)에서 통기구 가스를 수집하고 유도하기 위해 도움이 되도록 설계되었다. 예시적인 실시예에서, 트레이 통기구 구조체(1510)는 인접한 2개의 셀들의 통기구 기능부들을 결합하도록 구성된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 각각의 셀은 개별, 전용 또는 개별 트레이 통기구 구조(즉, 하나의 셀 통기구에 대한 하나의 트레이 통기구 구조)를 포함할 수 있다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(1600)의 개략도들이 도시되어 있다. 배터리 모듈(1600)은 배터리 모듈(1600)을 형성하도록 배열 또는 적층된 복수의 셀 유닛(1602)을 포함하고 있다. 각각의 셀 유닛(1602)은 셀 (1606)이 설치된 유닛 프레임(1604)을 포함한다. 유닛 프레임들(1604)은 본 명세서에 개시된 오목부 구성과 상이한 프레임 통기구 구조체(1608)를 포함할 수 있다. 인접한 셀 유닛(1602)의 프레임 통기구 구조체(1608)는 도 15a-15b에 대해 설명된 기능과 유사한 기능을 갖는 트레이 통기구 구조체(1610)를 정의할 수 있다. 예를 들어, 트레이 통기구 구조체(1610)는 다른 시스템 및/또는 구조체에 배치 및 결합되어 가스를 배터리 모듈(1600) 밖으로 유도하거나 배터리의 민감한 부분(예를 들어, 단자, 전자 부품 등)으로부터 멀어지도록 할 수 있다. 다른 실시예에서, 트레이 통기구 구조체들은 각각의 트레이 통기구 구조체가 단일 셀 유닛에 대응하도록 셀 유닛들과 일 대 일 관계로 배열될 수 있다.
상술한 바와 같이, 셀 유닛들은 배터리 모듈들로 배열되어 조립될 수 있다. 상기 배터리 모듈은 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 조립체로 조립될 수 있다.
예를 들어, 도 17a 내지 도 17d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 조립체(1700)의 개략도가 도시되어 있다. 배터리 조립체(1700)는 제1 배터리 모듈(1702) 및 제2 배터리 모듈(1704)을 포함한다. 배터리 모듈(1702, 1704)은 조립체 프레임(1706) 내에서 조립될 수 있다. 두 개의 배터리 모듈(1702, 1704)과 함께 도시되어 있지만, 통상의 기술자들은 원하는 용량 또는 기능을 갖는 배터리 조립체를 형성하기 위해 임의의 적절한 수의 배터리 모듈이 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 각각의 배터리 모듈은 원하는 개수의 셀 유닛를 포함할 수 있으며, 예시적인 실시예는 단지 예시적이고 설명적인 목적으로 제공되는 것일 뿐, 제한적인 의도는 아니다. 각 배터리 모듈의 셀 유닛은 직렬, 병렬 또는 조합된 구성으로 배열될 수 있다. 일부 구성에서, 배터리 조립체(1700) 또는 이와 유사한 시스템 및 조립체는, 예를 들어, 통상의 기술자들이 인정하는 바와 같이, 구성 요소의 구체적인 구성 및 선택된 요소에 따라 다른 출력이 가능하지만, 최대 2 kA 펄스 및 500 A 연속 출력을 생성하도록 구성될 수 있다.
각각의 배터리 모듈(1702, 1704)은 전기 커넥터(1708)(예를 들어, 와이어 또는 버스 바)를 사용하여 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전기 커넥터들(1708)은 상기 배터리 모듈들(1702, 1704)의 개별 셀 유닛들 사이에서 전력이 전달될 수 있도록 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기 커넥터들(1708)은 단일 시간 프레임 내에 모든 개별 셀 유닛들로부터 고율, 고에너지 전기 방전을 가능하게 하도록 선택되고 구성될 수 있으며, 이에 따라 고에너지 전력 방전이 달성될 수 있다. 배터리 모듈들(1702, 1704)은 실질적으로 동일할 수 있으며, 배터리 모듈들(1702, 1704) 사이에는 대칭성이 존재할 수 있다.
도 17b-17d에 도시된 바와 같이, 조립체 프레임(1706)은 복수의 지지 레일(1710, 1712)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 지지 레일에는 두 가지 기본 유형, 즉 단부 지지 레일(1710) 및 중앙 지지 레일(1712)이 있다. 상기 단부 지지 레일(1710)은, 각각의 배터리 모듈들의 코너들을 지지하도록 구성되는 것으로 이해될 것이다. 그러나, 상기 센터 지지 레일(1712)은 두 개의 배터리 모듈들(1702, 1704) 사이에 배치되어 인접한 두 개의 배터리 모듈의 코너를 지지한다. 지지 레일들(1710, 1712)은, 배터리 모듈들(1702, 1704)과 배터리 모듈들(1702, 1704)의 부착, 장착, 지지 및 작동에 따른 공진 및/또는 피로가 최소화되거나 발생하지 않도록 배터리 모듈들(1704)과 조립체 프레임(1706)과 인터페이스하도록 구성된다. 지지 레일(1710, 1712)과 배터리 모듈(1702, 1704) 사이의 인터페이스는 직접 인터페이스일 수도 있고, 레일의 일측 단부 또는 양측 단부와 같이 공통의 연결을 통해 이루어질 수도 있다. 레일 구조는 구조적 강도를 위해 외부 인클로저에 대한 의존도를 낮출 수 있으며, 그 결과 중량 조립체가 감소될 수 있다. 지지 레일(1710, 1712)은 하나 이상의 체결구(1713)에 의해 조립체 프레임(1706)에 부착될 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 실시예들은 고율 방전을 위한 향상된 배터리 조립체를 제공한다. 본 명세서에 설명된 개선된 셀, 셀 유닛, 배터리 모듈 및 개선된 배터리 조립체. 셀 및 셀 유닛의 경우 개선된 단열, 열 관리 및 통기가 제공된다.
본 명세서에서 "실질적으로"라는 용어는 출원 당시 사용 가능한 장치에 기초한 특정 수량의 측정과 관련된 오류의 정도를 포함하기 위한 것이다. 예를 들어, "실질적으로"는 주어진 값의 ±8% 또는 5% 또는 2%의 범위를 포함하거나 완전 또는 균일한 범위로부터의 편차를 나타낼 수 있다. 또한 본 명세서에서 "예시"라는 용어는 "일례로서, 예컨대 또는 예시적으로 기능하는 것"을 의미한다 본 명세서에서 "예시"로 설명되는 모든 실시예 또는 설계는 다른 실시예 또는 설계보다 선호되거나 유리한 것으로 해석될 필요가 없다. 용어 "최소 하나" 및 "최소 하나 이상"은 1보다 크거나 같은 정수(예를 들어, 1, 2, 3, 4 등)를 포함하는 것으로 이해된다. "복수"라는 용어는 2보다 크거나 같은 임의의 정수, 즉 2, 3, 4, 5 등을 포함하는 것으로 이해된다. "연결"이라는 용어는 간접적인 "연결"과 직접적인 "연결"을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 특정 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐 본 개시를 제한하기 위한 것은 아니다. 여기서 사용되는 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 문맥이 명확하게 다르게 나타내지 않는 한 복수 형태도 포함하도록 의도된다. 본 명세서에 사용되는 용어 "포험하다" 및/또는 "포함하는"은, 명시된 특징, 정수, 단계, 연산, 요소 및/또는 구성 요소의 존재를 명시하지만 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 연산, 요소 구성 요소, 및/또는 그의 그룹들을 존재 또는 부가를 불가능하게 하지는 않는다.
본 발명은 한정된 수의 실시예들과 관련하여 상세하게 제공되지만, 본 개시가 이와 같은 개시예들에 한정되는 것은 아님을 용이하게 이해하여야 할 것이며. 본 발명의 개시는 이전에 설명되지 않았지만 본 발명의 정신과 범위에 상응하는 다양한 변동, 변경, 대체 또는 동등한 약정을 포함하도록 변형될 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예들이 설명되었지만, 본 발명의 실시예들은 전술한 예시적인 양태들 중 일부만을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 개시는 전술한 설명에 의해 제한되는 것으로 보지 않고 첨부된 청구범위에 의해서만 제한되는 것으로 볼 수 있다.
Claims (60)
- 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 셀 캐비티를 규정하고, 경사벽을 포함하는 각형 셀 하우징;
셀 하우징의 셀 캐비티 내에 배치되는 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극으로, 상기 적어도 하나의 양극 및 음극은 실질적으로 평면이고 상기 셀 하우징과 실질적으로 유사한 각형을 갖는. 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극;
셀 하우징의 제1 위치에서 적어도 하나의 양극에 연결되는 제1 단자;
셀 하우징의 제2 위치에서 적어도 하나의 음극에 연결되는 제2 단자,
상기 경사벽은 상기 적어도 하나의 양극과 상기 적어도 하나의 음극의 에지와, 상기 경사벽의 내부 표면 사이의 셀 하우징 내의 포켓을 규정하고, 상기 포켓은 상기 셀 하우징 내에서 발생된 가스를 수집하도록 구성되고,
상기 포켓 근처의 셀 하우징의 경사벽의 제3 위치에 형성된 적어도 하나의 통기구를 포함하고,
상기 적어도 하나의 통기구는 상기 셀 캐비티 내의 압력 증가 시 개방되어 압력 및/또는 가스가 상기 적어도 하나의 통기구를 통해 상기 셀 캐비티를 이탈할 수 있도록 구성되는, 셀. - 제1항에 있어서, 상기 경사벽은 볼록 곡률 및 오목 곡률 중 어느 하나를 포함하는, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 셀 하우징은 상기 제1 부분으로부터 상기 제2 부분으로의 방향으로 두께를 가지며, 상기 두께는 0.5인치 이하인, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 셀 하우징의 제1 부분 및 상기 셀 하우징의 제2 부분은 상기 셀 캐비티를 규정하기 위해 접히는 두 부분의 단일 시트인, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 부분은 용접, 초음파 용접, 접착제, 크림핑, 히트 실링 또는 본딩 중 적어도 하나에 의해 상기 제2 부분에 부착되는, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 각각은 각각의 플랜지를 포함하고, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 플랜지는 접합되거나 힌지 결합되어 클램-쉘 구성을 형성하는, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 각각은 각각의 플랜지를 포함하고, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 플랜지들이 결합되어 욕조형 또는 기다란 반구형 구성으로 형성되는, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 양극과 상기 적어도 하나의 음극은 각각, 양극과 음극이 교대로 전극 적층체에 배치된 복수의 각각의 전극들을 포함하는, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 통기구는 셀 하우징의 재료와 일체로 형성되는, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 통기구는, 상기 적어도 하나의 통기구 주위에 상기 셀 하우징의 재료 두께보다 작은 재료 두께를 갖는 셀 하우징의 섹션에 의해 규정되는, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 경사벽은 적어도 하나의 부가적인 통기구를 포함하는, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 양극 및 상기 적어도 하나의 음극은 각각, 전극 적층체에 배치된 복수의 각각의 전극을 포함하고, 상기 셀은 전극 적층체의 일측과 상기 제1 부분 또는 상기 제2 부분 중 적어도 하나의 사이에 배치된 적어도 하나의 내측 하우징 절연체 요소를 더 포함하는, 셀.
- 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 내측 하우징 절연체 요소는, 폴리올레핀, 불소화 폴리올레핀 또는 이들의 형성된 테이프 중 적어도 하나를 포함하는, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 양극 및 상기 적어도 하나의 음극은 각각, 둘 이상의 전극 군들로 분할된 복수의 각각의 전극들을 포함하고, 상기 셀은 각 전극 군과 인접한 전극 군 사이에 배치된 적어도 하나의 디바이더를 더 포함하는, 셀.
- 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 디바이더는, 열전도체층, 열절연체층또는 열전도체층과 열절연체층의 조합을 포함하는, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 통기구들의 한 통기구는, 직선형, 곡선형 또는 원형인, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 통기구들의 한 통기구는 적어도 하나의 피크와 적어도 하나의 골을 갖는 파형을 갖는, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 부분은 파우치의 제1 측면이고, 상기 제2 부분은 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이에 규정된 중간부를 갖는 파우치의 제2 측면인, 셀.
- 제18항에 있어서, 상기 중간부는, 상기 제1 및 제2 단자와 상기 적어도 하나의 양극 및 적어도 하나의 음극 사이에 전기적 연결을 허용하도록 구성된 하나 이상의 단자 개구들을 포함하는, 셀.
- 셀 하우징 내에 배치되고 제1 단자에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 양극 및 셀 하우징 내에 배치되고 제2 단자와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 음극을 포함하는 셀로서, 상기 제1 단자는 제1 위치에서 셀 하우징으로부터 연장되고 상기 제2 단자는 제2 위치에서 셀 하우징으로부터 연장되는, 셀; 및
상기 셀을 수용 및 지지하도록 구성된 유닛 프레임으로서, 상기 유닛 프레임은 제1 단자 및 제2 단자를 수용하고 이에 대한 액세스를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 개방 구간을 갖고, 상기 유닛 프레임은 상기 적어도 하나의 개방 구간으로부터 멀리 배치된 프레임 상의 오목부를 포함하고, 상기 오목부는 셀로부터의 가스의 누출시에 셀로부터 멀리 가스를 수집하고 유도하도록 구성되고, 상기 유닛 프레임은 상기 프레임 내에 설치될 때 상기 셀과 평면을 이루는 방향으로 치수를 갖고, 상기 치수는 0.05인치 내지 0.5인치 사이를 포함하는, 유닛 프레임을 포함하는, 셀 유닛. - 제20항에 있어서, 상기 유닛 프레임은 베이스, 제1 아암, 제2 아암 및 상기 적어도 하나의 개방 구간에 의해 규정되는 상기 베이스에 대향하는 개방 단부를 포함하는, 셀 유닛.
- 제21항에 있어서, 상기 유닛 프레임은 상기 아암의 단부 및 상기 아암과 베이스의 접합부에서 복수의 코너들을 규정하고, 상기 유닛 프레임은 코너들의 각각에 장착 기능부를 포함하는, 셀 유닛.
- 제20항에 있어서, 상기 셀은 제3 위치에 적어도 하나의 통기구를 포함하고, 상기 적어도 하나의 통기구는 상기 유닛 프레임의 오목부에 실질적으로정렬되는, 셀 유닛.
- 제20항에 있어서, 상기 적어도 하나의 통기구는 상기 셀 하우징의 재료와 일체로 형성되는, 셀 유닛.
- 제20항에 있어서, 상기 유닛 프레임은 다른 셀 유닛과 맞물리도록 구성된 적어도 하나의 정렬 기능부를 포함하는, 셀 유닛.
- 제20항에 있어서, 상기 셀 유닛의 일측에 배치된 적어도 하나의 셀 절연체를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 셀 절연체는 전기적으로 절연성인, 셀 유닛.
- 제26항에 있어서, 상기 적어도 하나의 셀 절연체는 열전도성을 갖는, 셀 유닛.
- 제26항에 있어서, 상기 적어도 하나의 셀 절연체는 폴리이미드 또는 폴리에스테르 중 적어도 하나를 포함하는, 셀 유닛.
- 제20항에 있어서, 상기 유닛 프레임은 불연성 물질로 형성되는, 셀 유닛.
- 제20항에 있어서, 상기 유닛 프레임 내에 셀을 지지하도록 상기 셀 및 유닛 프레임 주위를 감싸는 유닛 랩 구조체를 더 포함하는, 셀 유닛.
- 제30항에 있어서, 상기 유닛 랩 구조체는 대향하는 단부들에 치형(toothed)의 기하학적 형상을 갖는 재료의 시트인, 셀 유닛.
- 제30항에 있어서, 상기 유닛 랩 구조체는 상기 셀과 상기 유닛 프레임을 감싸는 두 시트들의 재료를 포함하는, 셀 유닛.
- 제30항에 있어서, 상기 유닛 랩 구조체는 유닛 프레임 내에서 셀을 다수의 번 감싼 단일 시트의 재료를 포함하는, 셀 유닛.
- 제30항에 있어서, 상기 유닛 랩 구조체의 외면에 적용되는 절연체 요소를 더 포함하는, 셀 유닛.
- 제20항에 있어서, 상기 유닛 프레임은 상기 유닛 프레임의 일부 내에서 채널에 의해 규정되는 적어도 하나의 에어 갭을 포함하는, 셀 유닛.
- 제20항에 있어서, 추가적인 다른 셀 유닛들과 함께 조립하기 위한 구조체를수용하기 위한 관통공을 규정하는 적어도 하나의 장착 기능부를 더 포함하는, 셀 유닛.
- 제36항에 있어서, 상기 적어도 하나의 장착 기능부는 보스(boss)를 포함하는, 셀 유닛.
- 제20항에 있어서, 상기 셀 하우징은 상기 유닛 프레임의 적어도 일부와 중첩되도록 구성되는 플랜지를 포함하는, 셀 유닛.
- 제38항에 있어서, 에어 갭이 상기 플랜지와, 이 플랜지가 중첩되는 상기 유닛 프레임의 일부 사이에 형성되는, 셀 유닛.
- 배터리 모듈로서,
이들 사이에 하나 이상의 타이 로드들을 지지하도록 구성되는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트;
상기 하나 이상의 타이 로드에 부착되고 상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트 사이에 압축식으로 로딩되는 복수의 셀 유닛들로서, 각각의 셀 유닛은 유닛 프레임과 이 유닛 프레임 내에 설치되는 셀을 포함하고, 상기 셀은 이 셀의 내부로부터 가스를 멀리 유도하도록 구성되는 통기구를 포함하고, 상기 유닛 프레임은 상기 통기구와 정렬되어 상기 가스를 상기 셀 및 유닛 프레임으로부터 멀리 유도하도록 구성되는 오목부를 포함하고, 상기 각각의 셀 유닛은 절연체 및 상기 셀, 프레임 및 절연체를 감싸는 유닛 랩 구조체를 포함하는, 복수의 셀 유닛들;
상기 복수의 셀 유닛들의 인접 셀 유닛들 사이에 배열된 절연체 요소를 포함하고,
상기 복수의 셀 유닛들의 모든 셀 유닛들은 상기 통기구들이 상기 셀 유닛들의 단자들을 포함하지 않는 셀 유닉의 일측에 있도록 배향되는, 배터리 모듈. - 제40항에 있어서, 상기 복수의 셀 유닛들은 적어도 제1 군의 셀 유닛들 및 제2 군의 셀 유닛들을 규정하고, 상기 제1 군의 셀 유닛들과 상기 제2 군의 셀 유닛들 사이에 배치되는 방화벽을 더 포함하는, 배터리 모듈.
- 제41항에 있어서, 상기 방화벽은 하나 이상의 타이 로드에 장착되는, 배터리 모듈.
- 제40항에 있어서, 상기 절연체 요소는 열전도율이 낮고 가연성이 낮거나 불연성 물질로 형성되는, 배터리 모듈.
- 제40항에 있어서, 상기 복수의 셀 유닛들의 일측을 따라 배치되고, 상기 적어도 2개의 셀 유닛들의 유닛 랩 구조체와 접촉 및 열 연통되게 배치되어 상기 열전달 장치가 접촉되는 셀 유닛들 사이에 열을 분배하도록 하는 열전달 장치를 더 포함하는, 배터리 모듈.
- 제44항에 있어서, 상기 열전달 장치는 알루미늄, 열분해 흑연, 다이아몬드, 그래핀 또는 구리 중 적어도 하나로 형성되는, 배터리 모듈.
- 제44항에 있어서, 상기 열전달 장치는 하나 이상의 히트 파이프를 포함하는, 배터리 모듈.
- 제44항에 있어서, 상기 열전달 장치는 열전도성 접착제에 의해 상기 배터리 모듈에 부착되는, 배터리 모듈.
- 제44항에 있어서, 상기 열전달 장치에 설치되는 히터를 더 포함하는, 배터리 모듈.
- 제44항에 있어서, 상기 열전달 장치는 판 구조 또는 재료의 시트인, 배터리 모듈.
- 제40항에 있어서, 상기 복수의 셀 유닛은 제2 셀 유닛과 인접한 제1 셀 유닛을 포함하고, 상기 제1 셀 유닛과 인접한 제2 셀 유닛에 의해 트레이 통기구 구조체가 정의되고, 상기 트레이 통기구 구조체는 상기 제1 및 제2 셀 유닛들 중 하나 또는 둘 모두로부터 배출된 가스를 수집하여 유도하도록 구성되는, 배터리 모듈.
- 제40항에 있어서, 상기 복수의 셀 유닛들의 각각의 셀 유닛은,
셀 하우징 내에 배치되고 제1 단자와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 양극 및 셀 하우징 내에 배치되고 제2 단자와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 음극을 포함하는 셀로서, 상기 제1 단자는 제1 위치에서 셀 하우징으로부터 연장되고, 상기 제2 단자는 제2 위치에서 셀 하우징으로부터 연장되는, 셀; 및
상기 셀을 수용하여 지지하도록 구성되고, 상기 제1 단자를 수용하도록 구성되는 제1 개방부 및 상기 제2 단자를 수용하도록 구성되는 제2 개방부를 갖고 그에 대한 액세스를 제공하는 유닛 프레임을 포함하는, 배터리 모듈. - 제40항에 있어서, 상기 복수의 셀 유닛들의 각각의 셀 유닛은,
제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분과 제2 부분 사이에 셀 캐비티를 규정하는 셀 하우징;
상기 셀 하우징의 셀 캐비티 내에 배치된 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극;
상기 셀 하우징의 제1 위치에서 적어도 하나의 양극에 연결되는 제1 단자;
상기 셀 하우징의 제2 위치에서 적어도 하나의 음극에 연결되는 제2 단자;
상기 셀 하우징의 제3 위치에 형성되는 적어도 하나의 통기구를 포함하고, 상기 적어도 하나의 통기구는 초기에는 폐쇄 상태에 있고 상기 셀 캐비티 내의 압력 증가에 따라 개방되도록 구성되고, 상기 압력 및/또는 가스가 상기 적어도 하나의 통기구를 통해 상기 셀 캐비티를 이탈할 수 있도록 하는, 배터리 모듈. - 조립체 프레임;
상기 조립체 프레임 내에 배치되는 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈을 포함하고, 상기 각각의 배터리 모듈은,
이들 사이에 하나 이상의 타이 로드들을 지지하도록 구성되는 제1 엔드 플레이트와 제2 엔드 플레이트,
상기 하나 이상의 타이 로드들에 부착되고 상기 제1 엔드 플레이트와 상기 제2 엔드 플레이트 사이에 압축식으로 로딩되는 복수의 셀 유닛들로서, 각각의 셀 유닛은 유닛 프레임과 이 유닛 프레임 내에 설치되는 셀을 포함하고, 상기 셀은 이 셀의 내부로부터 가스를 멀리 유도하도록 구성되는 통기구를 포함하고, 상기 유닛 프레임은 상기 통기구와 정렬되어 상기 가스를 상기 셀 및 유닛 프레임으로부터 멀리 유도하도록 구성되는 오목부를 포함하고, 각각의 셀 유닛은 절연체 및 상기 셀, 프레임 및 절연체를 감싸는 유닛 랩 구조체를 포함하는, 복수의 셀 유닛들; 및
상기 복수의 셀 유닛들의 인접 셀 유닛들 사이에 배치된 절연체 요소를 포함하고,
복수의 셀 유닛들의 모든 셀 유닛들은, 통기구들이 셀 유닛들의 단자들을 포함하지 않는 셀 유닛들의 일측에 있도록 배향되고,
상기 제1 배터리 모듈과 상기 제2 배터리 모듈을 전기적으로 연결하는 전기 커넥터를 포함하는, 배터리 조립체. - 제53항에 있어서, 상기 조립체 프레임은, 상기 제1 배터리 모듈 또는 상기 제2 배터리 모듈 중 적어도 하나를 상기 조립체 프레임 내에서 지지하도록 구성된 하나 이상의 단부 지지 레일들을 포함하는, 배터리 조립체.
- 제54항에 있어서, 상기 하나 이상의 단부 지지 레일들은 단면이 L 형상을 갖는, 배터리 조립체.
- 제53항에 있어서, 상기 조립체 프레임은, 상기 제1 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈 각각을 상기 조립체 프레임 내에서 지지하도록 구성된 하나 이상의 중앙 지지 레일들을 포함하는, 배터리 조립체.
- 제56항에 있어서, 상기 하나 이상의 중앙 지지 레일들은 단면이 T 형상을 갖는, 배터리 조립체.
- 제53항에 있어서, 상기 전기적 커넥터는 와이어 또는 버스 바인, 배터리 조립체.
- 제53항에 있어서, 상기 복수의 셀 유닛들의 각각의 셀 유닛은,
셀 하우징 내에 배치되고 제1 단자와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 양극 및 셀 하우징 내에 배치되고 제2 단자와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 음극을 포함하는 셀로서, 상기 제1 단자는 제1 위치에서 셀 하우징으로부터 연장되고, 상기 제2 단자는 제2 위치에서 셀 하우징으로부터 연장되는, 셀; 및
상기 셀을 수용하여 지지하도록 구성되고, 상기 제1 단자를 수용하도록 구성되는 제1 개방부 및 상기 제2 단자를 수용하도록 구성되는 제2 개방부를 갖고 그에 대한 액세스를 제공하는 유닛 프레임을 포함하는, 배터리 조립체. - 제53항에 있어서, 상기 복수의 셀 유닛들의 각각의 셀 유닛은,
제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분과 제2 부분 사이에 셀 캐비티를 규정하는 셀 하우징;
상기 셀 하우징의 셀 캐비티 내에 배치된 적어도 하나의 양극과 적어도 하나의 음극;
상기 셀 하우징의 제1 위치에서 적어도 하나의 양극에 연결되는 제1 단자;
상기 셀 하우징의 제2 위치에서 적어도 하나의 음극에 연결되는 제2 단자;
상기 셀 하우징의 제3 위치에 형성되는 적어도 하나의 통기구를 포함하고, 상기 적어도 하나의 통기구는 초기에 폐쇄 상태에 있고, 상기 셀 캐비티 내의 압력 증가에 따라 개방되도록 구성되고, 상기 압력 및/또는 가스가 상기 적어도 하나의 통기구를 통해 상기 셀 캐비티를 이탈하도록 하는, 배터리 조립체.
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