KR20230118812A - 지게차용 리튬 이온 배터리 시스템 - Google Patents

지게차용 리튬 이온 배터리 시스템 Download PDF

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KR20230118812A
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KR
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battery cell
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KR1020237015574A
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케논 구글리엘모
아담 슈만
브렌트 루드위그
매튜 마틴
저스틴 샌더스
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이컨트롤스, 엘엘씨.
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Publication date
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Abstract

지게차에 전력을 공급하도록 구성된 충전식 리튬 이온 배터리 어셈블리에 관한 발명으로서, 배터리 어셈블리는 어셈블리에 통합된 복수의 배터리 모듈을 포함하고, 각 통합 배터리 모듈은 모듈 케이싱 내에 복수의 배터리 셀을 포함하며, 셀이 그룹화되고 직렬 및 병렬로 상호 연결되어 각 모듈의 양극 단자와 음극 단자 사이에 전체적으로 미리 결정된 전위를 제공하고, 여기서 각 모듈은 인쇄 회로 기판 어셈블리(PCBA) 내의 두 도체를 버스바로 사용하며, PCBA는 모듈의 각 배터리 셀의 제1 단부에 인접하게 배치되며 각 배터리 셀과 와이어 본드로 전기적으로 연결되고, PCBA는 통합 모듈의 관리 제어를 위한 프로세서(배터리 관리 시스템 또는 BMS)도 갖고 있다.

Description

지게차용 리튬 이온 배터리 시스템
선행 출원에 대한 우선권 주장
본 출원은 2020년 10월 8일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 63/089,100, 및 2020년 11월 13일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 63/113,292의 출원일의 이점을 주장한다. 이 참조로, 미국 가출원, 일련번호 63/089,100 및 63/113,292의 청구범위 및 도면을 포함한 전체 공개는 이제 그 전체가 설명되는 것처럼 본원에 포함된다.
분야
본 발명은 배터리로 구동되는 산업용 트럭 및 재충전 가능한 전기 배터리뿐만 아니라 관련 제어 시스템 및 그 사용 측면에 관한 것이다. 더 구체적으로, 개시 는 클래스 Ⅰ, Ⅱ 또는 Ⅲ 지게차에서 사용하기 위한 재충전 배터리 시스템과 가장 직접적으로 관련되지만 다른 클래스의 배터리 구동식 산업용 트럭과 관련하여 적용 가능성을 찾을 수도 있다.
본 발명의 특정 분야를 검토하기 전에, 일반적으로 충전식 리튬 이온 배터리에 대한 배경 정보를 고려하는 것이 도움이 될 수 있다. 충전식 리튬 이온 배터리는 1970년대에 개발되었으며 그 당시에도 많은 이점과 잠재적인 산업적 용도가 잘 알려져 있었다. 처음에는 상업적 채택이 느렸지만 1990년대에는 훨씬 더 널리 보급되었다. 이들은 주로 배터리 셀의 음극으로 사용되는 삽입된 리튬 화합물의 방식을 참조하는 특징을 갖는다.
비록 리튬 금속 산화물의 사용이 결점이 없는 것은 아니지만, 특히 열 폭주(thermal runaway)와 관련하여, 리튬 코발트 산화물(LCO 또는 LiCoO2)이 산업 분야에서 가장 많이 사용되는 리튬 금속 산화물이 가장 성공적이었다. 개발 과정을 통해, 니켈, 망간 및 알루미늄과 같은 추가 금속으로 리튬 음극 제제를 도핑하여 실질적인 개선이 실현되었다. 코어-쉘 입자 캐소드, 개선된 애노드 및 고체 리튬 폴리머 전해질의 사용과 관련된 다양한 개선이 이루어졌으며, 또 다른 개선으로 인해 캐소드 입자 크기가 작아지고 전극 표면적이 증가하고 전체 배터리 용량이 향상되었다.
오늘날, 가장 널리 사용되는 리튬 이온 배터리는 LCO 타입이며, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA 또는 LiNiCoAlCte) 및 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC 또는 LiNiMnCoCte)이 특히 인기가 있다. 다른 대체 캐소드 조성에는 리튬 망간 산화물(LMO) 및 리튬 망간 니켈 산화물(LMNO)과 같은 다른 리튬 금속 산화물이 포함되며, 특정 요구에 대해 다른 리튬 이온 화학이 고려될 수 있다. 리튬 금속 인산염은 사이클 수, 저장 수명 및 안전성을 개선하기 위해 이론적으로 오랫동안 사용할 수 있었던 또 다른 별개의 리튬 이온 제형(formulation)이지만 다른 성능 절충으로 인해 제조업체 사이에서 LCO 타입보다 덜 인기가 있다. 리튬 금속 인산염의 한 특정 타입으로서, 인산철 리튬(LFP 또는 LiFePO4) 배터리는 NCA, NMC 및 기타 LCO 배터리와 관련하여 일반적으로 LFP의 광범위한 사용에 대해 무게를 두는 다양한 장단점이 있는 사용 가능한 타입의 충전식 리튬 이온 배터리로 오랫동안 알려져 왔다.
다른 분야에서 리튬 이온 배터리의 성공적인 구현의 특정 사례로, Tesla, Inc.는 모델 S 전기 자동차에 NCA 배터리 사용을 대중화했다.
이들의 NCA 배터리는, 약 150℃의 열 폭주가 있는 온도로 상대적으로 낮은 열 안정성을 갖는 경향이 있지만, 높은 에너지 밀도로 인해 대체로 잘 작동한다. Tesla의 배터리 제조 방법은 아킹 및 과열의 위험을 최소화하면서 필요한 에너지 밀도를 가능하게 하는 방식으로 훨씬 더 큰 어셈블리에서 수백 개의 작은 배터리 셀을 안전하게 상호 연결함으로써 이점과 위험의 균형을 맞추는 데 도움이 된다. 더 큰 어셈블리 내에서, 수백 개의 작은 배터리 셀이 그룹으로 연결되어 있으며, 각 그룹에는 와이어 본드로 인접한 버스바에 연결된 수많은 셀의 병렬 배열이 포함된다. 이어서 이러한 그룹의 버스바를 직렬로 결합하여 전기 자동차의 전력 수요를 충족하는 훨씬 더 큰 어셈블리를 생산한다. 이 방법은, 테슬라는 기존의 납땜, 저항 스폿 용접 또는 레이저 용접 방법을 사용하는 대신 초음파 진동 용접을 사용한다고 하더리도, 각 셀의 각 단자를 전체 어셈블리에 영구적으로 연결하며, 와이어 본드는 예상 전류가 통과할 수 있는 낮은 저항 와이어로 제조된다. 각 와이어 본드는 길이가 약 1센티미터에 불과하며 한쪽 끝은 배터리 단자에, 다른 쪽 끝은, 차례로 다른 버스바와 회로에 전기적으로 결합되는, 알루미늄 부스바 컨덕터에 접착된다. 단락 등과 같은 과전류가 발생하는 경우, 각 와이어 본드는 과도한 과열을 방지하기 위해 끊어지는 퓨즈 역할을 할 수 있다.
LFP 배터리는 NCA 및 NMC 배터리보다 에너지 밀도가 낮은 경향이 있지만(즉, LFP 배터리는 단위 질량당 에너지가 적다), 이들은 또한 더 큰 열 안정성을 갖는 것으로 오랫동안 알려져 왔다. LFP 배터리의 열 폭주는 일반적으로 약 270℃까지 발생하지 않으므로 안전성이 향상되고 심각한 고장 가능성이 줄어든다. LFP 배터리는 또한 단락 또는 과충전 조건에서 더 안정적이며 고온에서 쉽게 분해되지 않는다. 다른 논란의 여지가 있는 장점으로는, LFP 배터리는 또한 납산 전지에 비해 전력 밀도가 더 높고(즉, 단위 부피당 더 높은 전력 레벨을 소싱할 수 있음) 주기 수명이 크게 증가하는 경향이 있다. 일반 납산 전지는 평균 수명이 300사이클이고 저장된 전하가 20% 저하되는 반면, LFP 배터리는 저장된 충전량의 20% 저하와 함께 2000주기 이상 지속될 수 있다.
한편, 본 발명의 분야에 있어서, 일반적으로 리튬 이온 배터리의 오랜 가용성에도 불구하고 클래스 Ⅰ, Ⅱ, 및 Ⅲ 지게차는 여전히 일반적으로 납산 전지로 구동된다. 한 가지 이유는 많은 지게차, 특히 클래스 Ⅰ 및 Ⅱ 지게차가 안전한 사용을 위해 상당한 평형력을 필요로 하기 때문이다. 납산 지게차 배터리의 무게는 일반적으로 1,000파운드 이상이지만 많은 지게차는 하중을 받는 동안 안정성을 유지하기 위해 평형력으로 납산 전지의 추가 중량을 사용하도록 설계되었다. 그러나, 배터리의 엄청난 무게는 특히 배터리를 추출, 교체 및 취급하는 것과 관련하여 수많은 문제를 제기한다. 인원이 그 무거운 근처에 있는 물건을 안전하게 들어올릴 수는 없는 반면, 특수 호이스트 및 배터리 교체 장비가 필요하며, 이는 허리 부상 등의 위험은 말할 것도 없고 더 많은 비용과 공간을 필요로 한다.
중량과 관련된 위험 외에도, 황산의 부식성 때문에, 납산 전지는 또한 작업하는 직원의 눈, 폐, 피부 및 의복에 손상을 줄 위험이 있다. 또한, 수소 가스는 일반적으로 배터리 재충전 중에 방출되어 산소와 폭발적으로 결합할 수 있을 뿐만 아니라 주변 구성 요소의 부식을 가속화할 수 있다. 결과적으로 납산 전지에는 특별한 안전 프로토콜이 필요하며, 지게차와 충전소 주변의 수소 및 유황 연기가 적절하게 환기되도록 특별한 주의가 필요하다.
또한, 납산 지게차 배터리는 시간, 공간 및 재고 측면에서도 비용이 많이 든다. 납산 지게차 배터리는 일반적으로 약 6시간 동안만 지속적으로 사용할 수 있으며 재충전하는 데 8-9시간이 필요하다. 또한, 납산 전지는 리튬 이온 기술에 비해 유지 관리 시간이 오래 걸리고 수명 주기가 훨씬 짧다. 또한, 납산 전지는 충전 및 유지 관리를 위해 창고의 넓은 영역을 할당해야 하는 경향이 있으며 일반적으로 각 지게차는 24시간 작동을 수행하는 시설을 위해 2개의 예비 배터리가 필요하다.
위에서 언급한 여러 가지 이유와 기타 여러 가지 이유로 인해, 다른 대안으로 오랫동안 리튬 이온 지게차 배터리의 사용을 고려했지만 결과적인 시도는 미약했으며, 특징적으로 거대한 납산 지게차 배터리의 많은 문제가 여전히 지게차 관련 산업에서 문제가 되고 있다.
따라서, 충전식 LFP 및 기타 리튬 이온 배터리 기술의 잘 알려진 특성과 장기간 사용 가능함에도 불구하고, 지게차 산업에는 배터리 기술 개선에 대한 실질적이고 오랫동안 해결되지 않은 요구가 여전히 존재한다.
본 발명의 개선은, 부분적으로는 이러한 지게차가 일반적으로 사용되도록 개조된 납산 지게차 배터리와 상호 교환 가능한 충전식 리튬 이온 지게차 배터리를 활성화함으로써, 기존 전동 지게차의 안전하고 신뢰할 수 있는 작동을 다양한 방식으로 개선한다. 본 발명의 많은 실시예는 지게차 배터리 크기이지만 다수의 배터리 모듈을 포함하는 재충전 가능한 배터리 어셈블리를 포함한다.
전체 어셈블리는 기존의 납산 지게차 배터리와 동일한 방식으로 제거하고 재충전할 수 있거나, 또는 바람직한 방법은 지게차에서 주전원을 사용하는 동안 전체 어셈블리를 충전하는 것이다. 또한 적용자의 접근 방식의 다른 개선된 측면으로 인해, 더 큰 어셈블리는 리튬 이온 충전기로 충전할 수 있지만 기존 납 축전지 충전기로도 용이하게 충전할 수 있다.
더 큰 배터리 어셈블리의 바람직한 실시예는 모듈의 대칭 배열과 함께 지게차 배터리 크기의 하우징을 포함한다. 바람직하게, 하우징에는 어셈블리 내에 수직으로 설치된 8개의 배터리 모듈이 포함되어 있으며 배터리 내에서 전기 및 데이터 연결이 발생한다. 어셈블리에는 애플리케이션의 전압 및 전류 요구 사항을 기반으로 연속 작동을 위한 최소 수의 배터리 모듈이 필요하다.
각 배터리 모듈에는 통합 배터리 관리 시스템(BMS)이 있다. BMS는 셀 전압, 전류 및 온도를 포함하여 상태를 모니터링한다. 시스템은 충전 상태를 모니터링하며 전압 차이를 보상하고 배터리 셀이 적절하게 균형을 이루며 작동 온도 제한 내에 있는 경우에만 배터리 어셈블리가 작동 상태를 유지하도록 한다. 또한, 시스템은 물리적 CAN 버스를 통해 리프트 트럭과 충전기에 대한 기록과 정보를 유지하고 전달할 수 있다.
바람직한 실시예의 배터리 모듈은 더 높은 전압, 더 높은 용량 및/또는 더 높은 전류용량을 달성하기 위해 직렬 및 병렬 연결의 조합으로 연결된다. 각 배터리 모듈은 자체 내부 배터리 관리 시스템을 포함하는 자급자족형이다. 그러나, 바람직하게는, 배터리 운용 시스템 감독(BOSS, Battery Operating System Supervisor) 모듈과 같은, 모터 컨트롤러, 배터리 충전기 및 감독 프로세서와 같은, 2차 컨트롤러에 의해 수행되는 중복 모니터링 및 제어가 있을 것이다.
각 모듈 내에서 개별 배터리 셀은 와이어 본드 배터리 제조의 Tesla 방법과 유사한 접근 방식을 사용하여 연결된다. 그러나 Tesla와의 중요한 차이점은, 이전에 논의한 바와 같이, NCA 또는 기타 LCO 배터리 기술이 아닌 LFP 배터리 기술을 사용한다는 것이다. 상단 플라스틱 배터리 트레이와 인쇄 회로 기판 사이에 전기 절연 접착제가 사용된다. 또한, 배터리 셀과 상단 및 하단 플라스틱 배터리 트레이 사이에는 동일한 접착제가 사용된다. 열 관리를 위해 배터리 셀 하단과 모듈 인클로저 사이에 열 갭 필러가 적용된다.
배터리 전원으로 구동되도록 구성된 전동식 지게차가 개시된다. 지게차는 배터리 어셈블리 부분 및 지게차에 전력을 제공하도록 구성되고 배터리 어셈블리 부분 내에 배치되는 배터리 어셈블리를 갖는다. 배터리 어셈블리는, 각 모듈이 더 큰 배터리 어셈블리에 통합되도록, 배터리 어셈블리 부분 내에 동작 가능하게 끼워지는 크기의 어셈블리 하우징 및 어셈블리 하우징의 내부에 배치된 복수의 배터리 모듈을 갖는다. 복수의 통합 배터리 모듈 각각은 모듈 케이스, 모듈 케이싱의 외부에서 접근이 가능하도록 배치된 양극단자와 음극단자, 모듈 케이싱 내부에 배치되며 양극 단자와 음극 단자 사이에 결합된 전위를 제공하도록 양극 및 음극 단자와 상호 연결된 복수의 배터리 셀, 및 복수의 배터리 셀 각각의 제1 단부에 인접한 모듈 케이싱 내에 배치된 인쇄 회로 기판 어셈블리(PCBA, 이는 하나 이상의 보드일 수 있음)를 갖는다. PCBA는 복수의 배터리 셀 각각과 전기적으로 결합되는 일체형 코헥터 플레이트(integral coHector plate)로 형성된다. 각 통합 모듈의 PCBA에는, 바람직하게는 복수의 배터리 셀의 실시간 동작 정보를 획득하도록 구성된 배터리 관리 시스템(BMS)으로 구현되는, 모듈의 동작 측면을 제어하기 위한 프로세서도 포함되어 있다.
복수의 배터리 셀 각각에 대해, 배터리 셀의 일단에 접하도록 제1 열전도성 갭필러가 배치되며, 제1 열전도성 갭필러는 집전판과 배터리 셀 사이에 열을 전달하기 위해 집전판에 접촉하도록 구성되고, 제2열전도성 갭필러가 배터리 셀의 제2 단부와 모듈 케이싱에 접하도록 배치되며, 제2 열 전도성 갭 필러는 배터리 셀과 모듈 케이싱 사이에서 열을 전달하도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 복수의 배터리 모듈 각각에 대해, 대응하는 PCBA에는 집전판에 배치된 복수의 서미스터(thermistors)가 있다. BMS가 서미스터에 매우 근접한 개별 배터리 셀(또는 대안적인 실시예에서는 복수의 셀) 내의 대략적인 온도를 결정하도록 구성되는 반면, 이들 서미스터는 BMS(또는 대체 프로세서)와 전기적으로 연결된다. 복수의 배터리 모듈 각각에 대해, 복수의 서미스터 각각은 집전판 상에 배치되어 제1 열전도성 갭필러 중 하나와 접촉한다. 각 서미스터는 복수의 배터리 셀 중 하나와 접촉하는 제1 열 전도성 갭 필러의 온도를 측정하도록 구성된다. 각 BMS는 바람직하게는, 서미스터에 근접한 배터리 셀의 대략적인 또는 예상되는 내부 배터리 온도를 결정하기 위해, 각 개별 서미스터의 신호를 사용하도록 프로그래밍된다. 더 구체적으로, 대략적인 온도 또는 예상 온도는 배터리 셀, 케이스 및 열전도성 충전 재료의 열 특성을 모델링하는 알고리즘을 사용하는 서미스터 신호를 기반으로 결정된다.
충전식 배터리 어셈블리는 또한, 배터리 모듈과 셀에서 열이 전도되는 주변 구조를 지나 공기를 이동시켜, 복수의 배터리 모듈을 냉각하도록 구성된 복수의 냉각 팬을 갖는다. 또한, BMS 프로세서 또는 BOSS(Battery Operating System Supervisor) 모듈과 같은 또 다른 프로세서는 온도 근사값을 사용하여 각 배터리 모듈에 대응하는 예상 배터리 온도를 모니터링하도록 구성되었으며, 해당 프로세서는 배터리 모듈에 대한 추정 배터리 온도 중 하나가 임계 온도보다 높다는 결정에 응답하여 냉각 팬을 활성화하도록 프로그래밍된다. 일부 실시예에서, 임계 온도는 BOSS 모듈에 프로그래밍된 미리 결정된 임계 온도이다. 일부 실시예에서, 임계 온도는 주위 온도에 대해 BOSS 모듈에 의해 결정된다.
본 발명의 일부 바람직한 실시예에 따르면, 모듈 케이싱은 베이스와 커버를 포함하고, 베이스는 제2 열전도성 갭필러와 접하도록 배치되며, 베이스는 알루미늄으로 구성되어 있다. 일부 실시예에 따르면, 차량은 지게차이다. 복수의 배터리 모듈 각각에 대해, 복수의 배터리 셀 각각은 리튬-이온 배터리 셀이다. 당업자라면 다른 타입의 열전도성 재료도 결정할 수 있을 것이지만, 제1 및 제2 열 전도성 갭 필러 각각은 바람직하게는 실리콘계 열 전도성 재료를 포함한다.
본원에 기술된 실시예를 훨씬 넘어서는 많은 다른 대체, 수정 및 대체 실시예가 당업자에게 이해될 것이며, 독자는 본 발명이 개시된 실시예 뿐만 아니라 그러한 많은 다른 대체, 수정 및 대체 실시예를 포함한다는 것을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 배터리 어셈블리의 바람직한 실시예의 사시도를 도시한다. 실시예의 높이 H, 폭 W 및 깊이 D는 예시 목적으로 도시되어 있다.
도 2는 종래 기술을 대표하는 구성의 클래스 Ⅱ 지게차의 측면도를 도시하며, 균형추, 지제차의 적재 중량 및 그에 따른 지게차 앞바퀴에서 발생하는 대향 받침점의 힘과 비교되는 무게 중심 간의 관계를 개념적으로 설명하는 화살표와 함께 개방형 배터리 구획에 기존의 납산 지게차 배터리가 포함되어 있음을 나타낸다.
도 3은 도 2의 종래의 납산 지게차 배터리가 없는 클래스 Ⅱ 스탠딩 지게차의 측면도를 도시하며, 대신에 본 발명에 따른 재충전가능한 배터리 어셈블리를 통합한다.
도 4a는 도 1의 배터리 어셈블리의 메인 엔클로저 내부 및 외부 서브어셈블리의 분해도를 도시한다.
도 4b는 도 4a의 메인 내부 및 외부 서브어셈블리의 조립된 사시도를 도시한다.
도 5는 도 1의 배터리 어셈블리의 분해도를 도시한다.
도 6a는 도 5에 도시된 배터리 모듈의 사시도를 도시한다.
도 6b는 도 6a의 배터리 모듈의 분해도를 도시한다.
도 7a는 외부 커버 및 인클로저가 없는 도 6a의 배터리 모듈의 사시도를 도시한다.
도 7b는 도 7a에 도시된 배터리 모듈의 분해도를 도시한다.
도 8a는 도 7b에 도시된 배터리 모듈의 인쇄 회로 기판 어셈블리의 평면도를 예시한다.
도 8b는 도 8a의 인쇄 회로 기판 어셈블리의 저면도를 도시한다.
도 8c는 대안적인 실시예에 따른 인쇄 회로 기판 어셈블리의 평면도를 도시한다.
도 8d는 도 8c의 인쇄 회로 기판 어셈블리의 저면도를 도시한다.
도 9는 배터리 모듈 내의 개별 배터리 셀의 컷어웨이 뷰를 도시한다.
도 10a는 8개의 배터리 모듈이 병렬로 연결된 개략도를 도시한다.
도 10b는 직렬-병렬 배열로 연결된 배터리 모듈을 갖는 대안적인 실시예의 개략도의 예를 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 어셈블리 버스바로부터 배터리 모듈을 전기적으로 연결 및 분리하는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 12a는 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리 셀을 충전하기 전에 배터리 셀을 가열하는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀 냉각 방법의 흐름도를 도시한다.
도 13은 NMC 배터리의 충전 곡선 및 LFP 배터리 셀의 충전 곡선을 그래프로 도시한다.
도 14는 배터리 셀의 개방 회로 전압 및 동적 파라미터 특성을 결정하는 데 사용되는 등가 회로 모델을 도시한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 추정된 충전 상태 곡선의 그래픽 표현을 도시한다.
도 16은 배터리 셀 뱅크의 액티브 밸런싱을 나타내는 블록도이다.
본 발명의 더 넓은 범위는 청구범위를 참조하여 고려되어야 하며, 청구범위는 현재 첨부되거나 나중에 본 출원 또는 관련 출원에 추가 또는 보정될 수 있는 반면, 다음의 설명은 현재 바람직한 실시예에 관한 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 달리 나타내지 않는 한, 이들 설명에 사용된 용어는 일반적으로 당업자가 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 사용되는 용어는 일반적으로 관련 기술 분야에서 이해할 수 있는 통상적인 의미를 갖도록 의도된 것이며, 일반적으로 형식적이거나 이상적인 정의에 국한되지 않으며, 특정 상황에서 명백히 달리 요구하지 않는 한 그리고 그 범위 내에서만 개념적으로는 등가물을 포함한다.
이러한 설명의 목적을 위해, 명세서 또는 특정 청구범위에서 특정 맥락에서 달리 명확히 설명된 정도를 제외하고는 몇 가지 단순화된 표현은 보편적인 것으로 이해되어야 한다. "또는"이라는 용어의 사용은, 일반적으로 "및/또는"을 의미하는 데 사용되지만 대안만 언급하도록 명시적으로 표시되지 않거나 대안이 본질적으로 상호 배타적이지 않는 한, 대안을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 값을 언급할 때 "약"이라는 용어는 대략적인 값을 나타내는 데 사용될 수 있으며 일반적으로 해당 값에 값의 절반을 더하거나 뺀 값으로 읽을 수 있다. "하나(a)" 또는 "일(an)" 등은 달리 명확하게 나타내지 않는 한 하나 이상을 의미할 수 있다. 이러한 "하나 이상의" 의미는 참조가 "갖는," "구성하는" 또는 "포함하는"과 같은 개방형 단어와 함께 이루어질 때 가장 특히 의도된다. 마찬가지로, "또 다른" 객체는 적어도 제2 객체 이상을 의미할 수 있다.
바람직한 실시예
많은 다른 대체 실시예도 본 발명의 범위 내에 속한다는 것을 이해해야 하지만, 다음의 설명은 주로 바람직한 실시예에 관한 것이지만 경우에 따라 몇 가지 대안적인 실시예도 참조할 수 있다. 이들 실시예에 개시된 기술은 다양한 실시예의 실시에서 잘 기능하는 기술을 나타내는 것으로 생각되고 따라서 그들의 실시를 위한 바람직한 모드를 구성하는 것으로 간주될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해되어야 한다. 그러나, 본 발명의 관점에서, 당업자는 또한 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 유사한 기능 또는 결과를 여전히 획득하면서 개시된 실시예에 대해 많은 변경이 이루어질 수 있음을 인식해야 한다.
메인 하우징 및 배터리 모듈 인터페이스 설계
도 1에는 배터리 모듈 어셈블리(10)의 사시도가 도시되어 있으며, 메인 커버(101) 및 외부 프레임(102)을 포함하는 메인 인클로저("하우징")(100)가 도시되어 있다. 하우징(100)은 바람직하게는 강도, 안정성을 제공하고 지게차 작업을 위한 충분한 카운터웨이트 특성을 허용하기에 적합한 강철 또는 다른 재료로 구성된다. 배터리 어셈블리(10)는 도 5에 도시된 바와 같이 수직으로 배열된 8개의 배터리 모듈("모듈")(300)을 갖는다. 하우징(100)에 설치될 때, 각각의 모듈(300)은 메인 커버(101)에 의해 둘러싸인다. 케이블 트레이(104)는 메인 커버(101)와 내부 프레임(103)(도 4a에 도시됨) 사이에 끼워지며, 이는 케이블 트레이(104)가 메인 커버(101) 아래의 메인 전원 케이블에 변형 완화 경로를 제공할 수 있게 한다. 메인 커버(101)는 나사(400)로 하우징(100)에 고정된다. 모듈(300)로부터의 전력은 주 전력 케이블 어셈블리(302)에 의해 전송된다.
대표 지게차
도 2는, 개시된 충전식 배터리 어셈블리(10)가 통합, 구현 또는 사용될 수 있는 종래 기술의 지게차 설계를 나타내는, 종래의 클래스 Ⅱ 전동 지게차(130)의 측면도를 나타낸다. 개시된 재충전가능한 배터리 어셈블리(10)는 클래스 Ⅰ 및 클래스 Ⅲ를 포함하는 다른 클래스의 지게차에도 통합될 수 있음을 이해해야 한다. 도시된 지게차(130)의 특정 모델은, 길이가 38.38인치(즉, 지게차에 설치되었을 때 측면 치수) x 폭 20.75인치(즉, 전면에서 후면까지의 깊이) x 높이가 31인치이고 최소 중량 요구 사항을 충족하는 배터리를 특정하는, Crown RM6000 시리즈 지게차와 가장 유사하다. 클래스 Ⅱ 지게차로서, 지게차(130)는 적재물(150)을 들어 올리거나 운반하거나 이동시키기 위해 적재물(150)을 지지하도록 구성된 포크 또는 기타 적재물 지지 부재(132)를 올리고 내리기 위한 리프팅 어셈블리(131)가 있는 이동식 트럭이다.
하중 지지 부재(132)는, 지게차(130)의 전방 휠(142)에 의해 일반적으로 생성되는 지지점의 전방으로 연장되면서, 통상적으로 캔틸레버 방식으로 적재물(150)을 지지하도록 설계되며, 무거운 하중은 지게차(130)를 넘어뜨릴 위험이 있다. 따라서, 적재 상태에서 기울어지는 위험을 최소화하는 것이 이러한 지게차(130)의 안전한 작동의 기본이며, 클래스 Ⅱ 지게차로서의 분류에 따라, 지게차(130)에 의해 운반되는 적재물(150)의 전체 중량 범위(FL, 화살표 151로 표시됨)는 균형추 힘(Fc, 화살표 121로 표시됨)에 의해 적절하게 균형을 잡아야 한다. 즉, 기울어짐 없이 적재물(150)을 안전하게 들어올리고 조종하기 위해, 특히 지게차(130)에 대해 제조업체가 지정한 하중 용량 범위의 더 무거운 단부의 하중에 대해, 주로 해당 적재물(150)의 중량(FL, 화살표 151로 표시됨)에 의해 생성된 전방 기울임 토크는 주로 지게차(130)의 균형추 힘(Fc)(121)에 의해 생성된 반대 토크를 초과해야 한다.
종래 기술에서, 이러한 지게차(130)는 일반적으로 평형추 힘(Fc)의 주요 부분으로 대형 납산 전지(160)를 포함하며, 지게차는 일반적으로 그에 따라 설계된다. 그러한 지게차의 설계는 일반적으로 특정 길이(즉, 깊이 "D"), 높이 "H" 및 폭의 배터리 구획(122) 내에서 지게차 배터리(160)의 중량을 안전하게 지지하기 위한 구조를 포함한다. 도 2 및 3에 도시된 이러한 치수 특성과 관련하여, 폭 치수는 도 2 및 3에 수직이라는 것을 이해해야 한다.
배터리 구획(122)은 일반적으로 내부에 납산 전지(160)를 위한 공간을 부분적으로 또는 완전히 포함하고 규정하는 제거 가능하거나 개방 가능한 패널 등에 의해 부분적으로 정의된다. 예를 들어, 도시된 지게차(130)의 경우, 배터리 구획(122)은 시트 어셈블리(135) 및 부분적인 측면 패널(136)에 의해 부분적으로 규정된다. 시트 어셈블리(135)는 일반적으로 배터리(160)의 상부 위에 안착된다. 패널(136) 또는 다른 구조는 배터리 구획(122)을 둘러싸고 규정하는 것을 지원하기 위해 제공된다. 패널(136)은 내부의 배터리(160)를 점검하거나 교체하기 위한 목적과 같이, 배터리 구획(122)에 대한 보다 완전한 액세스를 가능하게 하기 위해 제거 가능하거나 개방 가능하다. 지게차(130)는 또한 주 전원 케이블 어셈블리(302)를 통해 지게차의 전기 회로를 배터리(160)의 대응하는 단자에 제거 가능하게 연결하기 위한 양극 및 음극 전기 전도체를 갖는다.
지게차(130)는 지게차의 전방휠과 하부 플로어(90) 사이에 생성되는 받침점(FF, 화살표 91로 표시됨)을 사용한다. 그 받침점(91) 전방의 적재물(150)의 하중력(FL)에 의해 발생하는 모멘트가 지게차 균형추(FC)의 반대 모멘트를 초과하면, 지게차(130)는 하중(150)을 향해 앞으로 기울어져 위험한 상황이 초래된다. 무게 중심(161)의 위치는 지게차가 적재되었는지 또는 하역되었는지에 부분적으로 의존한다. 적재물(150)을 싣고 포크(132)를 들어올리면 무게중심(161)이 자연스럽게 지게차의 전방과 상부로 이동하게 된다.
충전식 배터리 어셈블리
도 3은 도 2와 동일한 대표적인 클래스 Ⅱ 전동 지게차(130)를 나타내나, 도 2의 종래의 납산 지게차 배터리(160)를 대신하여, 배터리 구획(122)에 동작 가능하게 설치된 본 발명의 교시에 따른 바람직한 재충전 가능 배터리 어셈블리(10)를 갖는다. 기존의 납산 전지(160)와 달리, 재충전 가능한 배터리 어셈블리(10)는 다수의 리튬 이온 배터리 셀(710)을 각각 포함하는 복수의 분리가능한 배터리 모듈(300)(예시된 실시예에서는 8개)을 포함한다. 가장 바람직하게는, 이러한 다수의 배터리 셀(710)은 인산철 리튬(LFP) 타입의 배터리 셀이다. 일부 실시예에서, 배터리 어셈블리(10)는 재충전에 약 60분이 필요하기 전에 약 10시간 동안 작동 가능한 충전을 유지할 수 있는데, 이는 종래의 납산 전지(160)의 특징인 더 짧은 사용 기간 및 훨씬 더 긴 충전 기간과 대조적이다. 또한, 이들의 리튬 이온 화학으로 인해, 각각의 모듈(300)은 종래의 납축 배터리(160)보다 약 6배 많은 충전 사이클을 통해 순환될 수 있다. 충전식 배터리 어셈블리(10)는 배터리 어셈블리(10)의 배터리 셀(710)을 재충전하기 위해 외부 전원(200)과 전기적으로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 전원(200)은 충전식 배터리 어셈블리(10)용 충전 스테이션이다.
특히 LFP 화학 물질의 경우, 1시간 이하의 충전 시간에 대응하는 충전 속도는 종종 셀의 권장 작동 한계 내에 있다. 종래의 납산 전지(160)에 비해 재충전가능한 배터리 어셈블리(10)의 더 긴 작동 시간은 또한 작업장 효율성을 향상시킨다. 납산 전지(160)의 경우 재충전을 위해 넓은 영역이 할당된다. 8시간 작동이 끝나면 납산 전지(160)를 제거하여 재충전하고 충전된 다른 납산 전지(160)가 삽입된다. 이 시스템을 충전식 배터리 어셈블리(10)로 교체하면 작업 환경에서 시간과 귀중한 공간을 절약할 수 있다.
재충전가능 배터리 어셈블리(10)의 또 다른 중요한 이점은 납산 전지(160)보다 LFP 배터리에서 더 낮은 등가 직렬 저항(ESR)이다. 납산 전지(160)는 더 높은 ESR을 갖는 결과로 성능 저하가 있다. 종종 이러한 배터리(160)가 방전될 때 "전압 강하"가 발생하여 부하 또는 가속 시 지게차의 느린 작동을 유발한다. 대부분의 경우 교대 근무 시작 약 6시간 후에 발생하며 교대 근무당 추가 재충전이 필요하므로 배터리 수명이 단축된다. LFP 배터리는 전압 강하의 위험을 크게 줄이면서 교대 근무 중에 지속적인 성능을 향상시킨다.
기존의 배터리(160)와 대략적으로 비슷하도록 크기, 무게 등이 조정되고, 배터리 어셈블리(10)의 높이 "H," 깊이 "D" 및 폭은 지게차(130)와 함께 사용하도록 의도된 종래의 지게차 배터리(160)에 대한 것과 실질적으로 동일하다. 따라서, 배터리 어셈블리(10)는 "지게차 배터리 크기"로 설명될 수 있다. 지게차 배터리 크기의 특성으로 인해, 도시된 바와 같이 지게차(130)의 경우, 배터리 어셈블리(10)는 종래의 배터리(160)와 동일한 배터리 구획(122)에 안전하게 끼워질 수 있다.
따라서, 도 3에 도시된 클래스 Ⅱ 전동 지게차(130)에 사용하기 위해, 리튬 이온 배터리 어셈블리(10)는 기존의 납산 전지(160)의 대체용으로 사용하기 위해 Crown RM6000 지게차 배터리 구획(122)에 맞도록 조정된다. 더 구체적으로, RM6000의 경우, 리튬 이온 배터리 어셈블리(10)는 길이 38.38인치(즉, 지게차에 설치했을 때 측면 치수) x 폭 20.75인치(즉, 전면에서 후면까지의 깊이) x 높이 31인치의 치수에 대략적으로 맞고 최소 무게 요구 사항을 충족하며, 배터리 어셈블리(10)는 최소 중량이 2600파운드이고, 바람직하게는 제조업체가 지정한 최소 배터리 중량 요건보다 50파운드 여유가 있다. 당업자는 본원에 개시된 개념이 크기 및 배터리 구획 치수가 다양한, 다양한 지게차로 구현될 수 있음을 인식할 것이다.
당업자는 지게차의 다양한 제조사 및 모델에 대한 치수, 맞춤, 모양 및 중량이, 지게차의 특정 제조업체 및 모델과 함께 사용하도록 고안된, 대안적인 실시예에 대한 치수 범위를 지시할 것임을 이해할 것이다. 클래스 I-Ⅲ 지게차 배터리의 전체 크기 범위는 대안적인 실시예를 위한 것이다. 클래스 l-Ⅲ 전동 지게차에 대한 최소 배터리 중량 요구 사항의 범위는 대략 1,500 내지 4,000lbs.이며, 이는 대안적인 실시예를 위한 것이기도 하다.
본 발명의 많은 측면이 다른 유형의 재충전가능한 배터리 셀(710)로 이해될 수 있지만, 바람직한 실시예는 리튬-이온 타입 중 하나의 배터리 셀(710)을 사용한다. 가장 바람직하게는, 배터리 어셈블리(10)의 각각의 모듈(300)은 수백 개의 LFP 타입의 독립형 배터리 셀(710)을 포함한다. 모든 리튬 이온 배터리 터입에 열 폭주가 발생할 수 있지만, 바람직한 실시예의 LFP 배터리 셀은, 일반적으로 약 150℃의 열폭주 온도를 갖는, 보다 일반적인 리튬 이온 배터리 셀인, NCA 또는 다른 LCO 셀의 폭주 온도보다 실질적으로 높은 270℃의 상당히 높은 열폭주 온도를 갖는다. 바람직한 실시예는 LFP 배터리를 사용하지만, 본 발명의 일부 측면은 다른 타입의 재충전식 리튬 이온 배터리 셀을 사용하여 인식될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 리튬-이온 충전식 배터리 어셈블리(10)의 일부 측면에 대한 대체 화합물은 리튬 코발트 산화물(LiCoCte), 리튬 망간 산화물(LiMn2O4, Li2MnOs), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(LiNiCoAICte), 및 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(LiNiMnCoO2)을 포함하는 것으로 고려되지만 이에 제한되지 않는다.
바람직한 실시예의 각각의 배터리 모듈(300) 내에서, 복수의 독립형 배터리 셀(710)(바람직한 실시예에서, 모듈(300)당 372개의 배터리 셀(710)이 있음)은 와이어 본딩 방법을 사용하여 직렬 및 병렬의 조합으로 연결된다. 와이어 본딩 방식은 버스바 대신 와이어 본드로 배터리 셀(710)을 연결한다. 와이어 본딩은 초음파 마찰 용접을 통해 이루어진다. 배터리 셀(710)을 와이어 본딩으로 상호 연결함으로써, 와이어 본딩은 퓨즈로 작용하면서 단락을 방지할 수 있다. 와이어 본딩은 상당한 과열 없이 예상 전류가 통과할 수 있도록 하는 그리고 개별 셀의 과전류를 방지하기 위해 와이어 본드를 끊을 수 있도록 하는 알루미늄-니켈 합금 와이어로 이루어진다. 또한, 전계 효과 트랜지스터("FET") 또는 다른 형태의 기존 퓨즈는 배터리 모듈 내부에 배치된다. 전류 용량이 초과되면 퓨즈가 열리고 과전류가 와이어 본드를 융합하는 것을 방지한다. 이 디자인의 대안적인 실시예는 배터리 셀을 병렬로 연결할 수 있다. 또한 배터리를 연결하는 대체 방법에는 기존 납땜 및 스폿 용접이 포함될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 하우징(100) 서브어셈블리의 분해도가 도시되어 있다. 하우징(100) 서브어셈블리는, 화살표(410)로 도시된 바와 같이, 외부 프레임(102)에 삽입되는 내부 프레임(103)으로 구성된다. 외부 프레임(102)은 2개의 측면 패널(102a) 및 헤비 게이지 스틸로 구성된 바닥 패널(102b)을 포함한다. 지게차(130)가 짐을 싣고 있을 경우, 측면 패널(102a) 및 하부 판(102b)은 배터리 어셈블리(10)가 균형추로서 작용할 수 있도록 배터리 어셈블리(10)의 전체 중량을 상당히 증가시키도록 설계된다. 푸시 리벳(402)을 사용하여 부착된 코너 고무 마운트(404) 및 베이스 고무 마운트(405)는 외부 프레임(102)과 내부 프레임(103) 사이의 진동 및 충격 하중을 차단한다. 조립된 하우징 어셈블리(100)는 도 4b에 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 배터리 어셈블리(10)의 분해도가 도시되어 있다. 충전식 배터리 어셈블리(10)의 바람직한 실시예는 더 큰 하우징(100)에 설치된 8개의 배터리 모듈(300)을 갖는다. 배터리 어셈블리(10)는 바람직하게는 하우징(100) 내에서 2개씩 배열되고 수직으로 배향된 2개의 모듈(300)의 4개 세트를 포함한다. 대안적인 실시예는 하우징(100) 내에서 상이한 위치 또는 상이한 수량의 배터리 모듈을 가질 수 있다. 모듈(300)은 메인 하우징(100)에 삽입 및 메인 하우징(100)으로부터 제거될 수 있다. 메인 커버(101)는 배터리 어셈블리(10)를 둘러싸도록 하우징(100)에 결합된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 나사(400)는 메인 커버(101)를 하우징(100)에 결합하는 데 사용된다. 그러나, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 결합 방법이 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
브래킷(402)은 모듈(300)의 각 쌍의 상부 모서리에 위치 및 고정되어 정상 작동 조건에서 모듈(300)의 좌우 이동을 방지한다. 브래킷(402)은 내부 프레임(103)의 전면 및 후면에 있는 구멍(411)을 통해 나사(401)로 고정될 수 있다. 메인 내부 프레임(103)의 양측에는 메인 정션 블록(304)을 지지하는 메인 지지 브라켓(403)이 4개의 나사로 부착된다. 각 모듈(300)(총 16개)에 대한 2개의 배터리 케이블(305)이 메인 정션 블록(304)에 연결된다. 정션 블록(304)은 배터리 모듈(300)을 전기적으로 연결하는 어셈블리 양극 버스바(901) 및 어셈블리 접지 버스바(902)를 포함한다(도 10 및 11에 도시됨). 구체적으로, 각각의 배터리 모듈은 양극 버스 단자(311) 및 음극 버스 단자(310)를 포함하고, 배터리 케이블(305)은 각 모듈(300)의 단자(310, 311)를 버스바(901, 902)와 전기적으로 연결한다. 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 일부 실시예에서, 모듈(300)은 각각의 양극 버스 단자(311)가 양극 버스바(901)에 연결되고 각각의 음극 단자(310)가 접지 버스바(902)에 연결되도록 병렬로 연결된다. 일부 실시예에서, 모듈(300)은 직렬-병렬 배열로 연결된다(도 10b). 메인 전원 와이어 어셈블리(302)는 모듈(300)과 전기적으로 결합되고, 지게차(100)의 파워 입력 포트와 인터페이스하도록 구성된다. 따라서, 메인 전원 와이어(302)는 모듈(300)에 의해 저장된 배터리 전원을 지게차의 전원 작동을 위해 지게차의 입력 포트로 전달하도록 구성된다.
하우징(100)의 메인 커버(101) 아래에는 팬 어셈블리(105a, 105b) 및, 배터리 어셈블리(10)를 제어하기 위한 최상위 감독 프로세서(또는 일부 실시예에서는 프로세서 그룹)의 바람직한 실시예를 나타내는, 배터리 운용 시스템 감독(BOSS, Battery Operating System Supervisor) 모듈(600)이 도시되어 있다. 다른 기능에 대한 프로그래밍 외에도, 배터리 운용 시스템 감독(BOSS) 모듈(600)은 바람직하게는, 주 전원 케이블 어셈블리(302)가 작동 가능하게 연결되는, 더 큰 배터리 어셈블리(10)의 양극 단자와 음극 단자 사이에 원하는 전체 전압 전위를 달성하기 위해 다양한 배터리 셀 모듈(300)을 조정하도록 프로그래밍되고 연결된다.
바람직하게는, 직류(DC)의 브러시 없는 팬(106)이 모듈(300)을 지나 공기를 이동시켜 모듈(300)을 냉각시키는 데 사용된다. 메인 커버(101) 바로 아래에 도시된 제1 팬(106a)은 제1 및 제2 모듈(300) 위에 위치한다. 볼 수는 없지만 팬 마운트(105a)의 팬(106a) 옆에 위치한 제2 팬은 제3 및 제4 모듈(300) 위에 있다. 제3 팬(106b)은 제5 및 제6 모듈(300) 위에 배치된다. 제4팬(106c)은 제7 및 제8모듈(300) 위에 배치된다. 메인 커버(101)의 벤트(404)는 배터리 모듈 어셈블리(10)의 내부로 공기가 유입 및 유출되도록 한다. 팬 장착부(105a, 105b)는 메인 커버(101)와 내부 프레임(103) 사이에 놓인다. 발명가는 모듈 냉각을 제공할 목적으로 다른 개수의 팬도 고려한다.
배터리 운용 시스템 감독(BOSS)(600)은 팬(106)을 제어하도록 구성된다. 배터리 운용 시스템 감독(600)은 각각의 모듈(300)의 온도 센서(812)(아래에서 더 자세히 설명됨)로부터 온도 판독값을 취하고, 각 모듈(300)의 배터리 셀(710)의 온도를 추정하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 온도 센서(812)는 서미스터(thermistors)이다. 배터리 운용 시스템 감독(600)은 추정된 배터리 온도가 임계 온도를 초과했다는 결정에 응답하여 팬(106)을 작동시켜 모듈(300)을 냉각하도록 구성된다.
버튼 패드(301)는 배터리 모듈 어셈블리(10)에 대한 진단을 표시하도록 구성되고 조정된다. 사용자는 슬립 모드로부터 디스플레이(307)를 "웨이크(wake)" 하기 위해 버튼 패드(301)를 누를 수 있다. 코딩된 푸시가 진단에 사용될 수 있다. 배터리 어셈블리(10)의 현재 상태를 나타내는 상태 바(222)가 있다. 오류 표시줄(223)이 빨간색으로 켜지면 적어도 하나의 모듈(300)에 오류가 있음을 나타낸다. 발광 다이오드(LED)를 사용하여 녹색으로 켜지고 모듈(300)의 배터리 충전 레벨을 나타내는 5개의 바(224)가 있다. 5개의 바(224)는 조명된 LED의 수에 기초하여 0% 내지 100% 범위의 대략 20%의 충전 증가분으로 충전 상태를 나타낸다. 예를 들어, 하나의 바는 모듈(300)의 충전이 매우 낮음(약 20%)을 나타내고 5개의 바는 배터리 어셈블리(10)의 모듈(300)이 완전히 충전됨(100%)을 나타낸다. 충전 상태는 전류 센서를 사용하여 각각의 동작 배터리 모듈(300)의 전류 출력을 측정하여 적어도 부분적으로 결정된다. 배터리 어셈블리(10)에 대한 전체 충전 상태는 현재 작동하는 모든 배터리 모듈(300)의 평균 전류 출력을 반영하고, 아래에서 더 자세히 논의된다. 디스플레이(307)는 또한 하나 이상의 배터리 모듈(300)이 결함 조건을 경험할 때 켜지는 결함 표시기를 갖는다. 현재 결함 상태에 있는 하나 이상의 배터리 모듈은 이러한 하나 이상의 배터리 모듈이 더 이상 작동하지 않고 전력을 생성하지 않도록 차단될 수 있다. 현재 작동하지 않는 배터리 모듈(300)은 배터리 어셈블리(10)에 대한 전체 충전 상태를 결정하는 데 사용되지 않는다.
배터리 모듈 및 배터리 셀 네트워크의 선호 설계
도 6a는 모듈(300)의 분리된 도면을 도시한다. 각 모듈(300)의 상부 표면에는, 6핀 신호 커넥터(470), 양극 버스 단자(311) 및 음극 버스 단자(310)가 장착되고 접근 가능하다. 모듈(300)을 감싸고 모듈(300) 내부를 외부로부터 밀봉하기 위해, 보호 인클로저 베이스(320), 커버(321) 및 엔드캡(323)이 함께 결합된다. 인클로저 베이스(320)는 알루미늄(또는 다른 열전도성 재료)으로 구성되는 것이 바람직하지만, 커버(321)는 바람직하게는 플라스틱으로 구성되며, 베이스(320)는 내부에 흡수된 열이 베이스(320)를 둘러싸는 대기와 더 교환될 수 있도록 하는 비교적 큰 표면적을 갖는 반면, 이는 배터리 셀(710)에 의해 생성된 열을 배터리 셀로부터 끌어내는 데 도움이 되는 방열판 역할을 할 수 있다. 베이스(320)와 주변 대기 사이의 열 교환은 하나 이상의 냉각 팬(106)에 의해 추가로 가능해진다.
도 6b는 배터리 모듈(300) 서브 어셈블리의 분해도를 도시한다. 모듈(300)은 인클로저 베이스(320) 및 커버(321)에 의해 보호되는 셀 어레이(322)를 포함한다. 단부캡(323)은 4개의 나사(420)로 셀 어레이(322)에 고정된다. 인클로저 베이스(320) 및 커버(321)는 단부캡(323) 내부에 끼워지도록 상부 에지를 따라 로케이터 탭(330)과 함께 위치된다. 접착제(728)는 엔클로저 베이스(320)의 내부 가장자리에 필요에 따라 적용된다. 바람직한 실시예에서, 접착제는 아크릴 접착제이지만 다른 타입의 접착제 또는 밀봉제의 사용이 고려된다. 커버(321), 단부캡(323) 및 인클로저 베이스(320) 사이의 인터페이스를 밀봉하기 위해 필요에 따라 밀봉제(727)가 인클로저 베이스(320), 커버(321) 및 단부캡(323)에 적용된다. 바람직한 실시예에서, 밀봉제는 실리콘계 밀봉제일 수 있지만, 유사한 특성을 갖는 다른 밀봉제의 사용이 고려된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 셀 어레이(322)와 인클로저 베이스(320) 사이에 필요에 따라 열전도성 갭 필러(726a)가 도포된다. 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 갭 충전 재료(726a)는 모듈(300)로부터 방출될 수 있도록 배터리 셀로부터 엔클로저(320)로 열이 전달되도록 한다. 이들 화합물 각각은 바람직하게는 전기 절연성이다.
도 7a는 커버(321), 인클로저 베이스(320) 또는 단부캡(323)이 없는 배터리 모듈(300)의 사시도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 각각의 배터리 모듈(300)은, 2개의 인쇄 회로 기판(PCB) 집전판(351a, 351b) 및 배터리 관리 시스템(BMS)(700)을 포함하는, PCBA(printed circuit board assembly)(722)를 포함한다. 2개의 집전판(351a, 351b)는 PCBA(722)와 통합되는 버스바 역할을 하는 다중 구리층을 포함하기 때문에 "컬렉터" 플레이트로 지정된다. PCB 구조에 익숙한 사람들이 이해할 수 있듯이, PCBA(722)는 10개의 구리층을 포함할 수 있지만, 다수의 이러한 계층(예를 들어, 하나의 바람직한 실시예에서 6개의 계층)은 버스바 역할을 하는 데 전용되는 반면, 다른 계층은 시그널링 등에 전용된다. 그러나, 컬렉팅 플레이트의 단일 층은 원하는 전압을 달성하기 위해 선택한 레이아웃에 따라 전압이 다른 여러 버스바를 포함할 것이라는 점을 인식해야 합니다. 예를 들어, 각 셀의 전압은 약 3.2볼트이며, 회로는 바람직하게는 단일 모듈에 대해 36볼트의 총 전압을 전달하기 위해 12개의 셀 뱅크를 직렬로 결합하고, 회로는 바람직하게는 단일 모듈에 대해 48볼트의 총 전압을 전달하기 위해 직렬로 16개의 셀 뱅크를 결합한다. 또한, 각 전압 레벨에 대해, 구리층 중 하나의 일부는 해당 전압에서 버스바 역할을 하도록 배치된다. 따라서, 단일 모듈 또는 배터리 셀 서브어셈블리 내에서, 일반적으로 0볼트(또는 접지) 및 3.2볼트의 버스바 역할을 하는 구리 층 부분 사이에 와이어 본딩된 다수의 리튬 이온 배터리 셀 중 하나의 뱅크가 있을 것이며, 원하는 총 전압을 달성하기 위해 3.2V 및 6.4V 등의 버스바 역할을 하도록 구성 및 연결된 구리 층 부분 사이에 와이어 본딩된 동일한 수의 셀로 구성된 또 다른 뱅크가 있을 것이다.
도시된 PCBA(722)는 3개의 분리된 부분을 포함하지만, 당업자는 일부 실시예에서 PCBA(722)가 대형 컬렉팅 플레이트 및 BMS를 포함하는 단일 부분임을 이해할 것이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 배터리 모듈(300)의 분해도를 도시한다. 각각의 배터리 셀(710)은 PCBA(722)에 와이어 본딩된다. 배터리 셀(710)과 PCBA(722) 사이에는 상부 플라스틱 배터리 트레이(720a)와 접착제(721)가 위치한다. 배터리 셀 어레이(322) 하부에는 하부 플라스틱 배터리 트레이(720b)가 위치한다. 플라스틱 배터리 트레이(720a, 720b)는 배터리 셀(710)의 상부와 하부에 직접 배치된다. 접착제(721)는 도 9에 도시된 바와 같이 배터리 트레이(720a, 720b)와 PCBA(722) 사이에 사용된다. 접착제(721)는 또한 전기 절연체이다. 접착제(721)의 적용은 "필요에 따라"라는 것이 당업자에게 이해되어야 한다. 모듈(300) 장착 피스(450)는 나사(460)에 의해 셀 어레이(322)의 상단부에 고정된다.
도 8a는 PCBA(722)의 평면도를 도시한다. 전술한 바와 같이, PCBA(722)는 2개의 PCB 집전판(351a, 351b)와 BMS(700)를 포함한다. 각각의 배터리 셀(710)은 PCB(722)에 와이어 본딩된다. 배터리 셀(710)마다 PCB 집전판(351a, 351b) 상의 패드(804a, 804b, 804c)에 접합된 3개의 와이어(725a, 725b, 725c)(도 9에 도시됨)가 있다. 와이어(725a, 725b) 중 2개는 개별 전지의 음극 단자용이며 음극 패드(804a, 804b)에 접합되고, 와이어(725c) 중 하나는 개별 전지에 대해 양극이며 양극 패드(804c)에 접합된다. 두 개의 음극 와이어의 목적은 중복성을 위한 것이다. 추가적인 양극 패드(804d)는 여분의 양극 와이어가 통합된 실시예를 위해 제공된다. 당업자는 일부 실시예에서 PCB 집전판(351a, 351b)가 포지티브 패드(804d)를 통합하지 않는다는 것을 인식할 것이다.
도 16에서 더 상세히 논의된 바와 같이, 배터리 셀(710)은 배터리 뱅크(711)라고 불리는 배터리 셀 그룹으로 분할될 수 있다.
BMS(700)는 배터리 뱅크(711)에 대한 전압, 온도 및 충전 상태를 모니터링할 수 있다. 대안적인 실시예는 배터리 셀(710)의 배열 또는 개수의 변형을 포함할 수 있다.
각각의 컬렉팅 플레이트(351a, 351b)는 PCBA(722)의 하부측에 인접한 배터리 셀(710)이 PCBA(722)의 상단면에서 접근될 수 있는 복수의 개구부(802, 803)를 갖는다. 도시된 바와 같이, 컬렉팅 플레이트(351a, 351b)는 큰 개구부(802) 및 작은 개구부(803)를 포함한다. 각각의 큰 개구부(802)는 2개의 배터리 셀(710)과 연관되어 이에 대한 액세스를 제공하는 반면, 각각의 작은 개구부(803)는 하나의 배터리 셀(710)과 연관되어 이에 대한 액세스를 제공한다. 각각의 배터리 셀(710)과 연관된 와이어(725a, 725b, 725c)는 셀(710)의 연관된 개구(802, 803)를 통과하고, 연관된 본딩 패드(804a, 804b, 804c)에서 컬렉팅 플레이트(351a, 351b)에 본딩된다. 큰 개구부(802)가 각각 2개의 배터리 셀(710)과 연관되기 때문에, 각각의 큰 개구부(802)와 연관된 2세트의 본딩 패드(804a-804d)가 있다. 작은 개구부(803)가 각각 하나의 배터리 셀(710)과 연관되기 때문에, 각각의 작은 개구부(803)와 연관된 한 세트의 본딩 패드(804a-804d)가 있다.
바람직한 실시예에서, 본딩 패드(804a-804d)는 전기도금된 금을 포함하고, 와이어(725a, 725b, 725c)는 알루미늄 니켈 합금으로 본딩 패드(804a-804d)에 본딩된다. 전술한 바와 같이, 엔클로저(320), 커버(321) 및 단부 캡(323)은 구성될 때 함께 밀봉된다. 엔클로저(320), 커버(321) 및 단부 캡(323)의 밀봉은 수분이 모듈(300)에 들어가는 것을 방지한다. 적절한 밀봉이 없으면, 원치 않는 습기가 모듈(300)에 들어갈 수 있고 전기도금된 금 패드(804a-804d)와 알루미늄 본딩 와이어(725a, 725b, 725c) 사이에 갈바닉 부식이 발생할 수 있다.
도 8b는 도 8a에 도시된 도면의 반대측인 PCBA(722)의 저면도를 도시한다. 주위 온도가 낮을 때, 특히 0℃ 내지 5℃ 미만의 온도에서 리튬 이온 배터리 셀(710)을 충전하려고 시도할 때 리튬 이온 배터리 셀(710)에 대한 손상이 발생할 수 있다는 것이 관찰되었다. 특히 주변 온도가 낮을 때, 이러한 리튬이온 배터리 셀(710)의 충전시 손상을 방지하기 위하여, 개시된 실시예는 각각의 리튬 이온 배터리 셀(710)에 매우 근접한 컬렉팅 플레이트(351a, 351b) 상에 장착된 저항 가열 장치(810)를 포함한다. 개시된 실시예에 통합될 수 있는 저항 가열 장치의 일례는 1206 후막 픽 앤 플레이스 표면 실장 저항기(thick film pick and place surface mount resistor)이지만, 다른 적절한 저항기가 사용될 수 있다. 각각의 배터리 셀(710)은 적어도 하나의 연관된 저항 가열 장치(810)와 연관된다. 도시된 실시예와 같은 일부 실시예에서, 각각의 배터리 셀(710)과 연관된 2개의 가열 장치(810)가 있을 수 있다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 각각의 큰 개구부(802) 근처의 집전판(351a, 351b)에 표면 장착된 4개의 저항 가열 장치(810) 및 각각의 작은 개구부(803) 근처의 컬렉팅 플레이트(351a, 351b)에 표면 장착된 2개의 가열 장치(810)가 있다. 전술한 바와 같이, 각각의 큰 개구부(802)는 2개의 배터리 셀(710)과 연관되고, 각각의 작은 개구부(803)는 하나의 배터리 셀(710)과 연관된다. 따라서, 각각의 배터리 셀(710)은 배터리 셀(710) 관련 개구부(802, 803)의 2개의 가열 장치(810) 부근에 배치된다.
배터리 모듈(300)이 본질적으로 폐쇄형 시스템인 경우, 저항 가열 장치(810)로부터의 열은, 설정된 임계 온도 이상으로 각 리튬 이온 배터리 셀(506)의 온도를 높이기 위해, 배터리 모듈 시스템(100)을 통해 복사될 수 있다. 바람직하게는, 저항 가열 장치(810)는 각각의 리튬 이온 배터리 셀(710)의 테두리 가까이에 위치된다. 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 각각의 배터리 셀(710)에 대한 외부 케이싱(716)(도 9에 도시된 바와 같음)은 바람직하게는 금속으로 구성되고, 보다 바람직하게는 니켈 도금된 탄소강으로 구성되기 때문에, 각각의 리튬 이온 배터리 셀(710)의 케이스는 열 전도성이고, 바람직하게는 재충전 전에 각각의 리튬 이온 배터리 셀(710)의 온도를 보다 빠르게 상승시키기 위한 효율적인 열 전도체이다.
저항 발열 장치(810) 외에도, 일부 실시예는 또한 리튬 이온 배터리 셀(506)을 설정된 임계 온도로 가열하는 데 필요한 시간을 감소시키기 위해 열전도성 재료를 이용할 수 있다. 예를 들어, 소량의 열 전도성 갭 충전 재료(726b)(도 9에 도시됨) 또는 열 접착제가 저항 가열 장치(810)로부터 배터리 전지(710)로 열을 유도하는 것을 지원하기 위해 각각의 저항 가열 장치(810) 상에 및/또는 아래에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로 소량의 열전도성 갭 충전 재료(726b)를 배치하는 것은 서미스터(812)에 의한 리튬 이온 배터리 셀(710)의 정확한 온도 측정을 방해할 수 있는 국부적인 가열 효과를 줄이는 데 추가로 도움이 된다. 저항 가열 장치(810)로부터 리튬 이온 배터리 셀(506)로 열을 전달하기 위한 다른 대안은 설명된 바와 같이 사용하기 위한 열 전도성 갭 충전 재료(726b)의 경화된 버전인 시트 재료 또는 열 그리스를 포함한다.
저항 가열 장치(810)에 의해 생성된 열의 더 나은 순환을 돕기 위해, 일부 실시예는 배터리 모듈(300)의 내부에 위치한 하나 이상의 팬을 포함할 수 있다. 하나 이상의 팬을 추가하면 저항 가열 장치(810)에 의해 생성된 열의 대류를 생성하여 각각의 리튬 이온 배터리 셀(710)의 온도를 더 빠르게 상승시킨다. 바람직하게는, 하나 이상의 팬은 가열된 공기를 순환시키기에 가장 효과적인 위치에 장착된다. 각 팬은 바람직하게는 직경이 약 40밀리미터(mm)이다. 그러나 직경이 60mm, 80mm, 120mm 또는 심지어 140mm인 팬과 같은 더 큰 팬뿐만 아니라 40mm보다 작은 팬을 포함하는 다른 크기의 팬이 고려된다. 더 적은 수의 저항 가열 장치(810)가 요구될 수 있고/있거나 더 작은 저항 가열 장치(810)가 사용될 수 있도록, 하나 이상의 팬을 사용하면 배터리 모듈(300) 내부의 공기 및 열 순환을 최적화할 수 있다.
배터리 셀(710) 주변의 온도를 측정하기 위해 컬렉팅 플레이트(351a, 351b)에 복수의 온도 센서(812)가 장착된다. 온도 센서(812)는 본 명세서 전체에서 서미스터로 지칭되지만, 당업자는 서미스터 이외의 다른 타입의 온도 센서가 사용될 수 있음을 인식할 것이다. BMS(700) 및 서미스터(812)가 온도 측정을 위해 함께 구성되도록, 서미스터(812)는 BMS(700)와 전기적으로 연결된다. 서미스터(812)는 BMS(700)와 함께 배터리 모듈(300) 내부의 온도를 판독하며, 이에 따라 서미스터(812)로부터 감지된 온도 판독값은 BMS(700)에 전달된다. 서미스터(812)는 리튬-이온 배터리 셀(710)에 근접하여 위치된다.
도 8c 및 8d는 각각 PCBA(722)의 대체 실시예인 PCBA(1722)의 평면도 및 저면도를 도시한다. 당업자는 모듈(300)이 PCBA(722) 또는 PCBA(1722) 중 어느 하나를 통합할 수 있음을 이해할 것이다.
도 8c를 참조하면, PCBA(1722)의 평면도가 도시되어 있다. PCBA(1722)는 컬렉팅 플레이트(351a, 351b)과 실질적으로 동일한 컬렉팅 플레이트(1351) 및 BMS(700)와 실질적으로 동일한 BMS(1700)를 포함한다. BMS(700)와 컬렉팅 플레이트(351a, 351b)가 3개의 분리된 조각인 PCBA(722)와 달리, BMS(1700) 및 컬렉팅 플레이트(351)는 일체형으로 통합되어 있다. 컬렉팅 플레이트(1351)는 큰 개구부(802)와 실질적으로 동일한 큰 개구부(1802), 및 실질적으로 개구부(803)와 동일한 작은 개구부(1803)를 포함한다. 개구부(802, 803)과 유사하게, 큰 개구부(1802)는 2개의 배터리 셀(710)과 연결되어 액세스를 제공하고 작은 개구부(1803)는 하나의 배터리 셀(710)과 연결되어 액세스를 제공한다. 컬렉팅 플레이트(1351)는 본딩 패드(804a-804c)와 실질적으로 동일한 와이어 본딩 패드(1804a-1804c)를 포함한다. 음극 본딩 패드(1804a, 1804b)는 셀(710) 관련 음극 와이어(725a, 725b)와 본딩되도록 구성된다. 양극 본딩 패드(1804c)는 셀(710)의 양극 와이어(725c)와 본딩되도록 구성된다. 각각의 배터리 셀(710)에 대해 4개의 결합 위치(804a-804d)를 포함하는 컬렉팅 플레이트(351a, 351a)와 달리, 컬렉팅 플레이트(1351)는 각각의 배터리 셀(710)에 대한 3개의 결합 위치(180a-1804c)를 포함한다.
도 8d는 PCBA(1722)의 저면도를 도시한다. PCBA(1722)는 히터(810)와 실질적으로 동일한 복수의 저항성 히터(1810)를 포함한다. 6개의 히터(1810)가 각각의 큰 개구부(1802) 부근에 있고, 3개의 히터(180)가 각각의 작은 개구부(1803) 부근에 있다. 따라서, 이 실시예에서, 당업자는 각각의 배터리 셀(710)이 3개의 히터(1810)에 근접해 있음을 이해할 것이다. 추가적으로, 집전판(1351)는 서미스터(812)와 실질적으로 동일한 복수의 서미스터(1812)를 포함한다. 각 서미스터는 배터리 셀(710)에 매우 근접해 있다.
도면에는 각각의 배터리 셀(710)이 2개 또는 3개의 히터(810, 1810)와 연결되는 것으로 도시되어 있지만, 당업자는 각각의 배터리 셀(710)이 본원의 다른 실시예에 따라 2개 또는 3개보다 많거나 적은 히터(810, 1810)와 연관될 수 있음을 인식할 것이다.
도 9는 모듈(300) 내의 적소에 있는 단일 배터리 셀(710)의 컷어웨이 뷰를 도시한다. 이전에 언급된 바와 같이, 배터리 셀(710) 및 기타 구성요소는 보호 인클로저(320) 및 커버(321)에 의해 둘러싸여 있다. 배터리 셀(710) 위에는, 플라스틱 배터리 트레이(720a)가 있다. 접착제(721a)는 배터리 셀(710)의 상부와 상부 배터리 트레이(720a) 사이에 사용된다. 유사하게, 상부 배터리 트레이(720a)와 집전판(351b) 사이에 접착제(721b)가 적용된다. 바람직하게는, 이들 접착제(721a, 721b) 각각은 구조용 접착제이다. 또한, 바람직한 실시예에서, 접착제(721a, 721b)는 전기 전도성이 아니다. 각 접착제(721a, 721b)는 우레탄 기반 접착제, 아크릴 접착제 또는 유사한 기능을 제공하는 다른 타입의 접착제일 수 있다. 접착제(721c)는 배터리 셀(710)의 하부와 하부 배터리 트레이(720b) 사이에 적용된다. 또한, 배터리 셀(710)의 하부와 인클로저(320) 사이에 열전도성 갭 충전 재료(726a)가 사용된다. 갭 충전 재료(726a)는 배터리 셀로부터 엔클로저(320)로 열이 전달되도록 한다. 따라서 열은 각각의 배터리 셀(710)로부터 전달 및 발산될 수 있다. 전술한 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 엔클로저(320)는 알루미늄으로 이루어지며, 열전도성 재료는 배터리 셀(710)에서 모듈(300) 외부로 열을 분산시키는 데 효과적이다. 바람직한 실시예에서, 갭 충전 재료(726a, 726b)는 실리콘계 재료이다. 구체적으로, 바람직한 실시예에서, 갭 충전 재료(726a, 726b)는, 수지와 경화제로 구성된 2요소 열전도성 실리콘 시스템이며 열전도율이 3.7W/m Kelvin 값인, CoolTherm® SC-1600 열전도성 실리콘 갭 필러이다. 갭 충전 재료(726a, 726b)는, 특히 CoolTherm® SC-1600은 도 9에 도시된 바와 같이, 애플리케이터 건 또는 XY 로봇 디스펜서 테이블을 사용하여, 배터리 셀(710)의 단부에 적용될 수 있으며, 실온에서 24시간 또는 100℃에서 30분 동안 경화될 수 있다.
전술한 바와 같이, 각각의 배터리 셀(710)은 PCB 집전판(351b)에 와이어 본딩된다. 도 9는 양극 와이어(725c) 및 2개의 음극 와이어(725a, 725b)가 개구부(803)를 통과하고 PCB 집전판(351b)의 상부에 와이어 본딩되는 것을 도시한다. 양극 와이어(725c)는 배터리 셀(710)의 양극 단자(712)에 연결된다. 양극 단자(712)는 배터리 셀(710)의 상단 중앙부에 위치한다. 음극 와이어(725a, 725b)는 배터리 셀(710)의 음극 단자(714)에 연결된다. 음극 단자(714)는 배터리 셀(710)의 상단의 외주 융기 가장자리를 따라 위치한다. 도 9는 PCB 집전판(351b) 및 개구부(803)와 관련된 배터리 셀(710)을 도시하지만, 당업자는 각각의 배터리 셀(710)이 도 9에 개시된 것에 따라 관련 PCB 집전판(351a, 351b) 및 개구부(802, 803)와 조립된다는 것을 이해할 것이다.
전술한 바와 같이, 배터리 셀(710)의 하부에 배치될 뿐만 아니라, 열전도성 재료(726b)는 또한 배터리 셀(710)과 PCB 집전판(351b) 사이의 배터리 셀(710)의 상단부에 배치된다. 구체적으로, 전도성 재료(726b)는 배터리 셀(710)의 단부 상단과 PCB 집전판(351b)의 히터(810)에 접촉하도록 배치된다. 따라서, 열전도성 재료(726b)는 PCB 집전판(351b)와 배터리 셀(710) 사이에서 열을 전달하도록 구성된다. 구체적으로, 열전도성 재료(726b)는 히터(810)에 의해 생성된 열을 배터리 셀(710)로 효율적으로 전달하도록 구성된다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 개구부(802,803)에 대해, 서미스터(812)에 근접하여, 열 전도성 재료(726b)는 배터리 셀(710)의 상단과 서미스터(812) 사이에 배치된다. 이러한 배열로, 배터리 셀(710)에 대한 근접성에 더하여, 서미스터(812)는 열전도성 재료(726b)를 통한 전지(710)와의 열 연결로 인해 셀(710)의 더 정확한 온도 판독값을 얻을 수 있다.
배터리 셀(710)은 열전도성 재료로 구성된 외부 케이싱(716)을 갖는다. 외부 케이싱(716)은 배터리 셀(710)과 갭 필러(726a, 726b) 사이에서 열을 전달하도록 구성된다. 구체적으로, 외부 케이싱(716)은 배터리 셀(710)에 의해 발생된 열을 인클로저(320)와 접촉하는 하부 갭 필러(726a)로 전달하도록 구성된다. 따라서, 케이싱(716)의 열 전도성 특성은 배터리 셀(710)에 의해 생성된 열을 모듈(300)의 외부로 전달하는 것을 지원한다. 또한, 외부 케이싱(716)은 히터(810)에 의해 발생된 열을 배터리 셀(710) 전체에 전달하도록 구성된다. 따라서, 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 추운 날씨 상황에서 케이싱(716)의 열 전도성 특성은 히터(810)로부터 배터리 셀(710)로의 열 전달을 지원한다. 또한, 케이싱(716)의 열전도 특성으로 인해, 서미스터(312)는 배터리(710)의 보다 정확한 온도 판독값을 수집할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 케이싱(716)은 예를 들어 니켈 도금된 탄소강과 같은 금속 재료를 포함한다.
도 8a를 다시 참조하면, BMS(700)는 셀 전압, 전류 및 온도를 포함하도록 모듈(300)의 상태를 모니터링한다. 모듈(300)의 배터리 셀(710)은 와이어 본딩을 통해 직렬 및 병렬로 연결되고 궁극적으로 통합 BMS(700)로 종료된다. 와이어 본딩은 테슬라 초음파 마찰용접 방식과 유사한 방식으로 완성된다. 도시된 개구부(802, 803)는 전지 셀(710)을 PCB(722)에 와이어 본딩하는 데 사용된다. PCBA(722)의 각 개구부(802, 803)를 통과하면서, 와이어(725a, 725b, 725c)는 PCB(722)와 배터리 셀(710) 모두에 본딩된다. PCBA(722)는 배터리 모듈(300) 내부를 통해 전류를 직접 전달하는 데 사용된다. 와이어 본드(725a, 725b, 725c)의 사용은 다른 셀이 여전히 PCBA(722)에 연결되어 있기 때문에 하나의 배터리 셀(710)이 오작동하는 경우 전체 배터리 모듈(300)이 고장나는 것을 방지한다.
충전 관리 시스템 통합
도 10a는 충전 관리 시스템을 도시하는 개략도이고, 여기서 8개의 배터리 모듈(300a-300h)은 서로 및 배터리 운용 시스템 감독(600)과 병렬로 연결된다. 특정 시점에서 각 배터리 모듈(300a-300h)은 서로 다른 충전 상태를 가질 수 있는데, 특히 모듈 충전이 지게차에 동력을 공급하는 데 사용되어 소모되기 때문이다. "충전 상태"는 모듈(300a-300h)이 현재 가지고 있는 충전의 백분율로 정의된다. 각 모듈(300a-300h)은 배터리 용량 또는 초기 충전 레벨의 차이로 인해 초기 전압이 상이할 수 있다.
배터리 운용 시스템 감독(600)은 모듈 300a-300h의 배터리 관리 시스템 역할을 해야 한다. 그러나 배터리 운용 시스템 감독(600) 제어의 경우, 한 모듈의 전압이 다른 모듈을 초과하는 시나리오에서, 저전압 배터리 모듈은 고전압 모듈에서 커넥터, 셀, 부스바 및 본드 와이어의 저항에 의해서만 제한되는 저전압 모듈로 전류 흐름을 유도한다. 전압 차이가 크면 전압이 낮은 배터리 모듈에 높은 전류가 흐르게 된다. 이러한 상황은 전류가 배터리 어셈블리(10)에서 지게차(130)로 흐르는 것이 아니라 배터리 모듈(300) 사이에서 흐를 때 모터로 흐르는 전류가 감소되기 때문에 바람직하지 않다. 높은 전류가 장시간 유지되면, 또는 전압 불일치가 본드 와이어의 처리 능력보다 높은 전류를 생성할 정도로 충분히 높으면, 또한 배터리가 빠르게 방전되거나 본드 와이어가 개방되어 배터리 고장을 일어날 수 있다.
전술한 바와 같이, 정션 블록(304)은 모듈(300a-300h)이 연결되는 어셈블리 양극 버스바(901) 및 어셈블리 접지 버스바(902)를 포함한다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 모듈(300a-300h)은 병렬로 연결되며, 여기서 모듈(300a-300h)의 음극 단자(310)는 케이블(305)을 통해 접지 버스바(902)에 연결되고, 모듈(300a-300h)의 양극 단자(311)는 케이블(305)을 통해 양극 버스바(901)에 연결된다. 전술한 바와 같이, 배터리 운용 시스템 감독(600)은 모듈(300a-300h)에 신호를 보냄으로써 배터리 모듈(300a-300h)에 권한을 부여하여 어떤 모듈이 버스바에 내부적으로 전기적으로 연결되어 있고 어떤 모듈(300a-300h)이 연결 해제되었는지를 결정한다. 이어서, 모듈(300a-300h)은 다중 게이트 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 스위치(903a-903d)를 사용하여 포지티브 버스바(901)로부터 모듈(300a-300h)을 연결 및 분리한다. 당업자는 MOSFET 스위치(903a-903d)가 포지티브 버스바(901)로부터 모듈(300a-300h)을 연결 및 분리하기 위해 설명되어 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 다른 실시예에서 MOSFET 타입의 스위치 대신에 다른 타입의 전기 스위치가 사용될 수 있다.
모듈(300d)은 다음 설명에서 단지 예로서 사용되며, 각 모듈(300a-300h)은 동일한 방식으로 배선 및 사용된다는 것을 이해해야 한다. 배터리 운용 시스템 감독 모듈(600)과 모듈(300a-300h) 사이의 통신은 와이어 하니스(303)에 의해 달성된다. 와이어 하니스(303)의 암(점선으로 도시됨)은 각각의 6핀 전기 커넥터(470)를 통해 각각의 배터리 모듈(300a-300h)에 연결되고 차량 버스(920)를 통해 배터리 운용 시스템 감독(600)에 연결된다. 각각의 6핀 전기 커넥터(470)의 5핀은 "격리"되며, 하나의 예비 핀은 현재 사용되지 않지만 나중에 사용될 수 있다. 여기서 "핀"이라는 용어는 와이어 하니스(303)의 각각의 핀에 대응하는 사이어를 설명할 때에도 사용된다. 격리된 핀은 격리된 와이어 하니스(303)의 일부로 그룹화된다. "절연된(isolated)"은 갈바닉 절연을 의미한다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 절연 와이어 하니스(303)를 주 전원 공급 장치로부터 분리하기 위해 변압기 및 디지털 절연화기가 사용된다. 졀연된 와이어 하니스(303)에서 전기 단락이 발생하면 시스템의 나머지 회로에 대한 손상 위험이 없다. 졀연된 와이어 하니스(303)는 모듈(300d)에 연결된 상부 점선으로 도시되어 있다. 졀연된 와이어 하니스(303)는 또한 차량 버스(920)에 연결된다. 모듈(300d)이 배터리 운용 시스템 감독 모듈(600)에 연결되면 풀업 또는 풀다운 저항을 통해 배터리 운용 시스템 감독(600)이 모듈을 감지할 수 있다. 감지되면, 특정 주파수의 펄스열(pulse train)이 배터리 운용 시스템 감독(600)에서 모듈(300d)에 대한 CAN 주소를 정의하는 배터리 모듈(300d)로 전송된다. 모듈(300d)과 배터리 운용 시스템 감독 모듈(600) 사이의 통신을 위한 2개의 핀이 있다. 구체적으로, CAN HI 핀과 CAN LO 핀이 있다. 마지막으로, 절연 와이어 하니스(303)에 접지 핀이 있다. 주소와 통신이 설정되면, 이어서 배터리 운용 시스템 감독 모듈(600)은 버스바(901)에 연결하기 위해 모듈(300d)에 권한을 부여할 수 있다.
배터리 운용 시스템 감독 모듈(600)의 중요성에 대한 예는 지게차의 지속적인 작동 중에 이해될 수 있으며, 하나의 모듈(300d)에 결함이 있다. 결함이 지속되는 동안, 모듈(300d)의 충전 상태는 변경되지 않지만 나머지는 변경된다. 오류가 해결되면 모듈(300d)가 작동할 준비가 되지만 충전 단계의 차이로 인해 작동하지 않는다. 배터리 운용 시스템 감독은 더 높은 충전 상태를 가진 모듈이 버스에 연결되도록 허용할 것이며, 일단 이들의 충전 단계가 오펀 모듈(orphaned module)(300d)과 재조정되면 오펀 모듈(300d)이 연결되도록 허용될 것이다. 예를 들어, 짐을 싣고 언덕을 오르는 지게차에는 많은 전류가 필요하다. 배터리 운용 시스템 감독 모듈(600)은 버스바에서 모듈(300)의 분리 및 연결을 제어하지 않는다. 배터리 운용 시스템 감독 모듈(600)은 모듈(300)이 연결 및 연결 해제할 수 있는 조건에 대해서만 권한을 모듈(300)에 부여한다. 각 모듈(300a-300h)은 내부 MOSFET 스위치(903a-903h)를 사용하여 모듈(300a-300h)에서 버스바(901, 902)로의 회로 연결을 신속하게 개폐한다. 완전히 충전된 모듈(300d)이 연결되면, 충전 상태가 더 낮은 모듈(300)이 연결 해제될 수 있다. 예를 들어, 모듈(300f)이 60%에 있고 다른 모듈(300)이 80% 이상인 경우, 모듈(300f)와는 연결이 해제되며 다른 충전 상태가 약 60%로 감소한 경우에만 다시 연결된다.
적어도 이러한 이유로, 배터리 운용 시스템 감독 모듈(600)은 네트워크로 연결된 범위 내에서 각 모듈(300a-300h)의 충전 상태를 모니터링하도록 설계되었으며, 일부 임계값 이상으로 변하는 모듈(300a-300h)에 대한 권한을 부여하여 연결을 해제한다. 이를 통해 지게차는 성능 저하 없이 계속 작동할 수 있다. 바람직한 실시예에서 36V 배터리 모듈(300a-300h)이 사용되지만, 대안적인 실시예는 특정 지게차의 필요에 따라 다양한 전압을 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 모듈(300a-300h)은 24V 또는 48V 모듈일 수 있다.
도 10b는 직렬-병렬 배열로 배열된 총 8개의 모듈(300a-300h)을 갖는 대체 실시예의 개략도이다. 여기서 4개의 모듈(300)의 2개 그룹이 병렬로 배열되고, 이러한 병렬 그룹은 직렬로 배치되어 개별 모듈 전압의 두 배인 시스템 전압을 달성한다. 특히, 모듈(300a-300d)의 양극 단자(310)는 양극 버스바(901)에 연결되고, 모듈(300e-300h)의 음극 단자는 접지 버스바(902)에 연결된다. 모듈 300a는 모듈 300e와 직렬로 연결되고, 모듈 300b는 모듈 300f와 직렬로 연결되며, 모듈 300c는 모듈 300g와 직렬로 연결되고, 모듈 300d는 모듈 300h와 직렬로 연결된다. 당업자는 BOSS(600) 및 BMS(700a-700h)가 도 10a를 논의한 개시에 따라 버스바(901, 902)에 대한 각 모듈(300a-300h)의 연결을 제어할 수 있음을 이해할 것이다.
배터리 모니터링 시스템 아키텍처의 다른 대안적인 실시예가 본 발명의 범위 내에서 고려된다. 일 실시예에서, 각 배터리 모듈은 디지털 아이솔레이터와 다중 셀 배터리 스택 모니터만 있는 슬레이브 PC 보드를 포함한다. 각 모듈에는 마이크로컨트롤러, CAN 인터페이스 및 갈바닉 절연 변압기가 있는 마스터 컨트롤러 보드에 대한 독립적인 인터페이스 연결이 있다. 마스터 컨트롤러 보드는, 지게차의 메인 CAN 버스에 대한 게이트웨이를 제공하는 것 외에도, 모듈 온도, 전압 및 결합/분리를 중앙에서 관리한다.
다른 대안적인 실시예에서, 각 다중 셀 배터리 스택 모니터(MBSM)는 각 배터리 모듈 내의 PC 보드에 있다. BMS(700)에는 CAN 트랜시버와 갈바닉 절연 변압기도 포함되어 있다. 각 모듈은 MBSM 비절연 직렬 인터페이스를 통해 통신한다. 이 구조는 배터리 모듈 사이에 연결된 3- 또는 4-컨덕터 케이블이 필요하다. 단 하나의 마이크로컨트롤러가 하단 모니터 집적 회로를 통해 모든 배터리 모니터를 제어한다. 이 마이크로컨트롤러는 지게차의 메인 CAN 버스에 대한 게이트웨이 역할도 한다.
다른 실시예는 임의의 배터리 모듈 내에 모니터링 및 제어 회로를 갖지 않는다. 하나의 PC 보드에는 3개의 MBSM 집적 회로(3개 모듈용)가 있으며 각 회로는 배터리 모듈에 연결된다. MBSM 장치는 비절연 직렬 인터페이스를 통해 통신할 수 있다. 하나의 마이크로컨트롤러는 직렬 인터페이스를 통해 모든 배터리 모니터를 제어하며 지게차의 메인 CAN 버스로 가는 게이트웨이이다. 이전에 개시된 실시예와 유사하게, CAN 트랜시버 및 갈바닉 절연 변압기가 BMS를 완성한다.
도 11은 버스바(901, 902)로부터 모듈(300a-300h)을 전기적으로 연결 및 분리하기 위한 방법(1100)을 도시하는 흐름도이다. 방법(1100)은 배터리 셀(710)의 작동 정보를 결정함으로써 블록(1102)에서 시작할 수 있다. 구체적으로, 각각의 BMS(700a-700h)는 각각의 셀 어레이(322a-322h)의 배터리 셀(710)의 동작 정보를 결정할 수 있다. 작동 정보는 셀 어레이(322a-322h) 및 그들 각각의 배터리 셀(710)의 작동과 관련된 임의의 정보를 포함할 수 있으며, 예를 들어 전압 레벨, 전류 레벨, 백분율 충전 레벨 및 배터리 셀 온도를 포함한다.
방법(1100)은 획득된 동작 정보가 미리 정의된 동작 요구사항을 준수하는지를 결정함으로써 블록(1014)에서 계속될 수 있다. 사전 정의된 작동 요건은 모듈(300a-300h)이 다른 모듈(300a-300h) 및 버스바(901, 902)와 전기적으로 연결되어 작동하는 지게차(130)에 전력을 제공하기 위해 준수해야 하는 임계 요건일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, BMS(700a-700h)는 각각의 셀 어레이(322a-322h)의 획득된 동작 정보가 전압 레벨 요구 사항, 백분율 충전 레벨 요구 사항 및/또는 온도 요구 사항을 준수하는지 여부를 결정할 수 있다. 사전 정의된 작동 요건은 지게차(130)의 배터리 셀 타입 및 성능 측정과 같은 다양한 요인에 따라 지게차(130)의 조작자에 의해 BMS(700a-700h) 및/또는 배터리 운용 시스템 감독(600)으로 프로그래밍될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 블록 1104에서, 셀 어레이(322a-322h)의 동작 정보가 미리 정의된 요건을 준수하는지를 결정하는 것은, 비교된 운영 정보가 허용 가능한 미리 정의된 범위 내에 있는지 확인하기 위해, 셀 어레이(322a-322h) 중 하나의 동작 정보를 셀 어레이(322a-322h)의 다른 것과 비교하는 것을 포함한다. 예를 들어, 앞서 논의한 바와 같이, 배터리 운용 시스템 감독(600)은 BMS(700a-700h)와 통신할 수 있고 하나의 셀 어레이(322a-322h)가 다른 셀 어레이(322a-322h)의 충전 레벨의 미리 정의된 범위 내에서 충전 레벨을 갖는지를 결정할 수 있다. 점을 설명하기 위해, 미리 정의된 충전 레벨 범위를 10%로 설정할 수 있다. 하나의 셀 어레이(322a-322h)는 65% 충전 레벨에 있을 수 있는 반면 다른 셀 어레이(322a-322h)는 80%에 있다. BOSS(600)는 65% 충전 수준의 셀 어레이(322a-322h)가 다른 셀(322a-322h)의 미리 정의된 10% 충전 범위 밖에 있고 따라서 미리 결정된 요구 사항을 따르지 않는다고 결정할 것이다.
블록 1104에서, 획득한 운영 정보가 미리 정의된 운영 요구 사항을 준수한다고 결정한 경우, 방법은 모듈(300a-300h)을 버스바(901, 902)에 전기적으로 연결함으로써 블록(1112)에서 계속될 수 있다. 구체적으로, BMS(700a-700h)는 셀 어레이(322a-322h) 및 사실상 모듈(300a-300h)의 양극 단자(311)를 양극 버스바(901)와 전기적으로 연결하기 위해 MOSFET(903a-903h)를 폐쇄할 수 있다. 블록 1112 이전에 MOSFET(903-903h)가 이미 폐쇄되어 있으면, 따라서 모듈(300a-300h)이 이미 버스바(901, 902)에 연결되어 있으면, MOSFET(903-903h)는 블록(1112)에서 폐쇄된 상태로 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 블록(1104)에서 배터리 운용 시스템 감독(600)은 전술한 바와 같이 셀 어레이(322a-322h)의 동작 정보를 다른 셀 어레이(322a-322h)와 비교하고 있다. 배터리 운용 시스템 감독(600)은 이루어진 비교에 기초하여 각각의 MOSFET(903-903h)를 폐쇄하기 위해 BMS(700a-700h)와 통신할 수 있다.
블록 1104에서, 취득한 운영정보가 미리 정해진 운영정보와 일치하지 않는다고 결정한 경우, 방법은 모듈(300a-300h)을 분리함으로써 블록(1106)을 계속할 수 있다. 구체적으로, BMS(700a-700h)는 MOSFET(903a-903h)를 개방하여 셀 어레이(322a-322h) 및 사실상 모듈(300a-300h)의 양극 단자(311)를 양극 버스바(901)로부터 전기적으로 분리할 수 있다. 블록(1106) 이전에 MOSFET(903-903h)가 이미 개방되어 있고, 따라서 모듈(300a-300h)이 버스바(901, 902)로부터 이미 연결 해제된 경우, MOSFET(903-903h)는 블록(1106)에서 개방된 상태를 유지할 수 있다. 일부 실시예에서, 블록(1104)에서 배터리 운용 시스템 감독(600)은 이전에 기술된 바와 같이 셀 어레이(322a-322h)의 동작 정보를 다른 셀 어레이(322a-322h)와 비교하고 있는 데에서, 배터리 운용 시스템 감독(600)은 이루어진 비교에 기초하여 각각의 MOSFET(903-903h)를 폐쇄하기 위해 BMS(700a-700h)와 통신할 수 있다.
방법은 모듈(300a-300h)이 버스바(901, 902)로부터 분리되는 동안 작동 정보를 획득함으로써 블록 1106에서 블록 1108로 계속될 수 있다. 동작 정보의 획득은 블록 1102에서 설명된 획득과 실질적으로 동일할 수 있다.
이 방법은 블록(1108)에서 블록(1110)으로 계속될 수 있으며, 여기서 모듈(300a-300h)이 버스바(901, 902)로부터 분리될 때 획득된 작동 정보가 미리 결정된 동작 요구 사항을 준수하는지 여부가 결정될 수 있다. 블록(1110)에서 이루어진 결정은 블록(1104)에서 이루어진 결정과 실질적으로 동일할 수 있다.
블록 1110에서, 획득한 동작 요구사항이 미리 정의된 동작 요구사항을 준수한다고 판단한 경우, 방법은 블록 1112로 계속될 수 있으며 여기서 분리된 모듈(300a-300h)은 이전에 설명된 바와 같이 버스바(901, 902)에 연결될 수 있다. 블록 1110에서, 획득한 동작이 미리 정의된 동작 요구 사항을 준수하지 않는다는 결정에 대응하여, 방법은 동작 정보가 동작 요구 사항을 충족할 때까지 동작 정보를 계속 획득하기 위해 1108로 계속 돌아갈 수 있다.
방법(1100)의 블록(1102-1112)이 특정 순서로 발생하는 것으로 설명되지만, 당업자는 블록(1102-1112)이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 순서에 따라 수행될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 방법(1100)으로부터 단계가 추가되거나 제거될 수 있음을 이해할 것이다.
당업자는 방법(1100)이 배터리 어셈블리(100)로 구현될 수 있는 다양한 시나리오를 이해할 것이다. 예를 들어, 방법(1100)은 모듈(300a-300h)의 충전 레벨을 비교하고, 이전에 설명한 바와 같이 낮은 충전 레벨을 가진 모듈(300a-300h)을 분리하는 데 적용될 수 있다.
방법(1100)은 또한 배터리 셀이 특정 전압 레벨 미만으로 방전될 때 발생하는 손상으로부터 배터리 셀(710)을 보호하기 위해 구현될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 각각의 배터리 셀(710)은 3.65V의 완전히 충전된 전압을 가지며, 배터리 셀(710)이 2.5V 미만으로 방전되면 배터리 셀(710)이 손상될 수 있다. 다수의 안전 요소를 통합하기 위해, 배터리 운용 시스템 감독(600) 및/또는 BMS(700a-700f)는 배터리 셀(710)이 바람직하지 않은 출력인 2.5V보다 약간 높은 2.7V 출력을 가질 때 배터리 셀(710)이 0% 충전 상태임을 인식하도록 설정된다. 추가적인 BOSS(600) 및/또는 BMS(700a-700f)는, 모듈(300a-300h)의 배터리 셀(710)이 7% 충전 상태임을 감지한 것에 응답하여, 버스바(901, 902)로부터 모듈(300a-300h)을 분리하기 위해 모듈(300a-300h)의 MOSFET 스위치(903a-903h)를 개방하도록 구성된다. 따라서, 셀(710)이 손상될 정도로 배터리 셀(710)이 더 이상 방전되는 것을 방지할 수 있다.
충전 전 배터리 셀 가열 방법
도 12a는, 배터리 셀(710)의 추정 온도가 온도 임계값 미만일 경우, 전원(200)으로 배터리 어셈블리(10)를 재충전하기 전에 연관된 리튬 이온 배터리 셀(710)의 온도를 증가시키기 위해, 각각의 배터리 모듈(300) 및 내부의 가열을 위한 방법(1200)을 도시하는 흐름도이다. 일부 실시예에서, 본원에 기술된 바와 같이, 방법(1200)은 각각의 배터리 모듈(300)에 대해 각각의 BMS(700)에 의해 수행될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 방법(1200)은 모든 모듈(300)에 대해 BOSS(600)에 의해 수행될 수 있다. 온도 임계값은 0℃ 내지 5℃ 사이로 설정될 수 있다. 이 방법은 블록 1202에서 시작될 수 있다. 일부 실시예에서, 방법은 BMS(700)가 외부 전원(200)에 의한 충전 프로그램의 시작을 나타내는 전원(200)으로부터 들어오는 전하를 감지함으로써 블록(300)에서 시작할 수 있다.
방법은 배터리 셀(210)의 온도를 결정함으로써 블록(1204)에서 계속될 수 있다. BMS(700)는 배터리 셀(710)의 온도를 결정하기 위해 연속적으로 측정되는 서미스터(812) 근위 리튬 이온 배터리 셀(710)로부터의 온도 측정치를 사용한다. 대안적으로, 온도 측정이 간헐적으로 측정될 수 있다. 이전에 논의된 바와 같이, 열전도성 재료(726b)는 각각의 서미스터(812)를 대응하는 배터리 셀(710)에 연결하고, 따라서 배터리(710)의 온도 판독값 및 전지 온도가 블록(1204)에서 결정되는 모델을 개선한다. BMS(700)는 배터리 셀(710)에 근접한 서미스터(812)로부터 온도 판독값을 취하고 계산 모델에서 온도 판독값을 사용하여 배터리 셀(710)의 온도를 추정하도록 구성된다. BMS(700)에 의해 결정된 배터리 셀(710)의 온도는 내부 배터리 셀(710)로부터 실제 온도 판독값을 검색하는 것이 실용적이지 않기 때문에 추정된 배터리 온도라고 할 수 있다. BMS(700)는 배터리 셀(710)의 온도를 추정하기 위해 충전 재료(726b)를 통해 배터리 셀(710)과 접촉하는 서미스터(312)를 사용하여 온도 판독값을 취한다. 배터리 셀(710)의 온도를 추정함에 있어서, BMS(700)는 배터리 셀(710)의 온도와 관련된 다양한 요인을 고려하는 온도 계산 모델을 통합할 수 있다.
방법은 블록(1204)에서 추정된 배터리 셀(710)의 추정된 온도가 미리 결정된 임계 온도 이상인지 이하인지를 결정하는 BMS(700)에 의해 블록(1206)에서 계속될 수 있다. 미리 결정된 임계값은 배터리 셀(710)의 온도 및 충전 특성에 따라 사용자에 의해 프로그래밍되는 임계 온도일 수 있다. 배터리 셀(710)은 영하 또는 영하의 온도에서 충전될 때 손상될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 임계 온도는 배터리 셀이 어는점 또는 어는점 이하의 온도에서 충전되지 않도록 보장하기 위해 0℃ 내지 5℃일 수 있다.
블록 1206에서, 배터리 온도가 임계 온도 이상인 것으로 판단되면, 방법은 배터리 셀(710) 충전 프로그램을 개시함으로써 블록(1214)에서 계속될 수 있다. 충전 프로그램 동안, BMS(700)는 배터리 셀(710)을 충전하기 위해 외부 전원(200)으로부터 배터리 셀(710)로 들어오는 전하를 보낼 수 있다. 전술한 바와 같이, 배터리 셀(710)은 어는점 이하 또는 어는점에 가까운 온도(0℃ 내지 5℃)에서 충전이 발생할 때 손상될 수 있다. 따라서, 배터리 온도가 보호 임계값 이상이라고 판단되면, 배터리 셀(710)이 손상될 염려 없이 배터리 셀(710)을 충전할 수 있다.
블록 1206에서, 배터리 온도가 미리 정해진 임계 온도 이하인 것으로 결저오디는 것에 응답하여, 방법은 가열 프로그램을 시작함으로써 블록(1208)에서 계속될 수 있다. 가열 프로그램 동안, BMS(700)는 배터리 모듈(300) 및 관련 배터리 셀(710)의 내부 온도를 상승시키기 위해 전원으로부터 저항 히터(810)로 전력을 보낼 수 있다. 일부 실시예에서, BMS(700)는 외부 전원(200)으로부터 들어오는 전력을 히터(810)로 안내한다. 일부 실시예에서, BMS(700)는 배터리 셀(710)로부터 히터(810)로 전력을 보낸다.
방법은 가열 프로그램 동안 배터리 셀의 온도를 결정함으로써 블록(1210)에서 계속될 수 있다. 배터리 셀의 온도는 블록 1204에 설명된 것과 실질적으로 동일한 기술을 사용하여 결정될 수 있다.
방법은 블록 1212에서 가열 프로그램 동안 배터리 셀(710)의 온도가 미리 결정된 임계 온도보다 높거나 낮은지를 결정함으로써 계속될 수 있다. 블록(1212)에서 결정을 내리기 위한 기술은 블록(1206)에서 동일한 결정을 내리기 위해 이루어진 기술과 실질적으로 동일할 수 있다.
블록 1212에서, 배터리 셀(710)의 온도가 미리 정의된 임계 온도 이상이라고 결정된 경우, 방법은 블록(1214)에서 계속될 수 있으며, 여기서 BMS(700)는 전술한 바와 같이 충전 프로그램을 개시할 수 있다. BMS(700)는 블록 1214에서 충전 프로그램을 시작하기 전에 가열 프로그램을 중지시킨다. 블록 1212에서, 배터리 셀(710)의 온도가 미리 정의된 임계 온도 이하인 것으로 결정되면, 방법은 블록 1210으로 다시 계속될 수 있으며, 여기서 BMS(700)는 배터리 셀(710)의 온도가 미리 결정된 임계값보다 높은 것으로 결정될 때까지 가열 프로그램 동안 배터리 셀(710)의 온도를 계속 결정할 수 있다.
방법(1200)의 블록(1202-1214)이 특정 순서로 발생하는 것으로 설명되지만, 당업자는 블록(1202-1214)이 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다양한 순서에 따라 수행될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 방법(1200)으로부터 단계가 추가되거나 제거될 수 있음을 이해할 것이다.
배터리 셀 냉각 방법
도 12b는 배터리 셀(710)을 냉각시키는 방법(1250)을 도시하는 흐름도이다. 방법(1250)은 배터리 셀(710)의 온도를 결정함으로써 블록(1252)에서 시작할 수 있다. 배터리 셀(710)의 온도는 서미스터(812)로부터의 온도 판독값을 사용하여 BMS(700)에 의해 블록(1210 및 1204)에서 이전에 기술된 것과 실질적으로 동일한 방식으로 결정될 수 있다. 블록(1252)에서, 셀(710)의 온도는 지게차(130)가 작동에 사용되고, 배터리 셀(710)이 지게차(130)의 동력 작동에 사용되는 동안 결정될 수 있다.
방법(1250)은 셀(710)의 온도가 임계 온도보다 높은지를 결정함으로써 블록(1254)에서 계속될 수 있다. BMS(700)는 배터리 셀(710)의 온도가, 지게차(130) 또는 배터리 어셈블리(10)의 작업자가 설정한 미리 결정된 임계 온도일 수 있는, 원하는 작동 온도보다 높은지 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 배터리 셀(710)이 35℃ 이상의 온도에서 작동하는 것은 바람직하지 않을 수 있다. 따라서 미리 정해진 임계 온도는 35℃로 설정될 수 있다. 일부 실시예에서, 각 BMS(700)는 블록(1252)에서 결정된 배터리 셀(710)의 추정 온도를 배터리 운용 시스템 감독(600)으로 전송하고, 배터리 운용 시스템 감독(600)은 각 모듈(300)에 대한 배터리 셀(710)의 온도가 미리 결정된 임계값을 초과하는지 여부를 결정한다.
일부 실시예에서, 임계 온도는 주위 온도와 관련된 배터리 운용 시스템 감독(600)에 의해 설정된다. 배터리 운용 시스템 감독(600)은 배터리 운용 시스템 감독(600)의 온도 센서를 이용하여 주변 온도를 측정하도록 구성되어 있다. 배터리 운용 시스템 감독(600)은 배터리 셀(710)에 대한 임계 온도가 특정 범위만큼 측정된 주변 온도를 초과하는 임의의 온도가 되도록 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 배터리 운용 시스템 감독(600)은 임계 온도를 측정된 주변 온도보다 5℃ 높은 온도로 설정하도록 프로그래밍할 수 있다. 이 점을 설명하기 위해, 블록 1252에서 배터리 셀(710) 온도가 30℃로 추정되고, 배터리 운용 시스템 감독(600)이 주변 온도를 25℃로 측정하면, 배터리 운용 시스템 감독(600)은, 블록(1254)에서 배터리 셀(710) 온도가 주변 온도보다 5℃ 높기 때문에, 추정된 배터리 셀(710) 온도가 미리 결정된 임계값보다 높다고 결정할 것이다. 일부 실시예에서, 배터리 운용 시스템 감독(600)은, 배터리 셀(710) 온도가 미리 결정된 임계 온도(즉, 위에서 논의한 바와 같이 35℃의 미리 결정된 임계 온도) 또는 주변 온도에 대해 상대적인 임계값(즉, 측정된 주변 온도보다 5℃ 이상 높은 온도) 중 하나를 초과하는 경우, 배터리 셀(710) 온도가 임계값을 초과하는 것으로 결정할 수 있다. 블록 1254에서, 배터리 셀(710)의 온도가 임계 온도 미만인 것으로 결정되면, 방법(1250)은 배터리 셀(710)의 온도를 결정하기 위해 블록(1252)으로 다시 계속될 수 있다.
블록 1254에서, 추정된 배터리 셀(710)의 온도가 임계 온도 이상인 것으로 결정되면, 방법(1250)은 냉각 팬(106)을 활성화함으로써 블록(1256)을 계속할 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각 팬(106)의 활성화는 배터리 운용 시스템 감독(600)에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리 운용 시스템 감독(600)은 모듈(300) 각각의 BMS(700)로부터 그들 각각의 배터리 셀(710)이 임계값 이상인지 이하인지에 관한 통신을 수신할 수 있다. 다른 실시예에서, 전술한 바와 같이, 배터리 운용 시스템 감독(600)은 결정된 온도가 임계값보다 높은지 여부를 결정할 수 있다. 배터리 운용 시스템 감독(600)은 블록(1254)에서 이루어진 결정에 따라 팬(106)을 활성화할 수 있다. 전체 모듈(300)보다 적은 수의 배터리 셀(710)의 온도가 미리 정해진 온도보다 높을 때, 배터리 운용 시스템 감독(600)은 모든 팬(106)을 활성화하거나 모든 팬(106)보다 적은 수를 활성화할 수 있다. 전체 모듈(300)의 온도가 미리 정해진 온도보다 높은 배터리 셀(710)을 갖는 경우, 배터리 운용 시스템 감독(600)은 모든 팬(106)을 활성화할 수 있다. 팬(106)을 활성화한 후, 방법(1250)은 팬(106)이 활성화되는 동안 배터리 셀(710)의 온도를 결정함으로써 블록(1258)에서 계속될 수 있다. 배터리 셀(710)의 온도는 블록(1252)에서 결정되는 것과 실질적으로 동일한 방식으로 블록(1258)에서 결정될 수 있다.
방법(1250)은 배터리 셀(710)의 온도가 여전히 임계 온도 위에 있는지를 결정함으로써 블록(1260)에서 계속될 수 있다. 블록 1260에서의 결정은 블록 1254에서의 결정과 실질적으로 동일한 방식으로 이루어질 수 있다. 블록 1260에서, 배터리 셀(710)의 온도가 더 이상 임계 온도보다 높거나 같지 않다는 결정에 응답하여, 방법(1250)은 팬(106)을 비활성화함으로써 블록(1262)에서 계속될 수 있다. 상이한 BMS(700)와의 통신에 따라 단계 1256에서 배터리 운용 시스템 감독(600)이 팬을 작동시키는 것과 유사하게, 배터리 운용 시스템 감독(600)은 BMS(700)과의 통신에 따라 팬을 비활성화할 수 있다. 블록 1260에서, 배터리 셀(710)의 온도가 여전히 임계 온도보다 높다는 결정에 응답하여, 방법은, 배터리 셀(710)의 온도가 임계 온도 아래로 결정될 때까지, 활성 팬(106)으로 계속되고 블록(1258)에서 배터리 셀(710)의 온도를 결정함으로써 블록(1256)으로 계속될 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리 운용 시스템 감독(600)은, 배터리 셀(710) 온도가 상승 및 하강함에 따라 팬(106)의 순환을 제한하기 위해, 임계 온도에 대해 3℃의 히스테리시스(hysteresis)를 구축하도록 구성된다.
방법(1250)의 블록(1252-1262)이 특정 순서로 발생하는 것으로 설명되지만, 당업자는 블록(1252-1262)이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 순서에 따라 수행될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 방법(1250)으로부터 단계가 추가되거나 제거될 수 있음을 이해할 것이다.
충전 상태
도 13을 참조하면, 단일 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC) 배터리 셀의 충전 곡선(1320)과 배터리 어셈블리(10)에서 사용되는 개시된 LFP 배터리 셀(710)의 충전 곡선(1310)을 시간에 따라 비교하는 그래픽 표현이 도시되어 있다. NMC 배터리 셀(1320)의 충전 곡선은 여기에서 4.2볼트로 도시된 더 높은 전압에서 평준화될 때까지 더 오래 증가한다. 대조적으로, LFP 배터리 셀 충전 곡선(1310)은 더 빨리 평준화되고 더 오랫동안 일정한 전압으로 유지된다. 충전 사이클의 끝에서, LFP 배터리 셀 곡선(1310)은 3.65볼트에 도달한다.
도 13의 그래프로부터 명백한 바와 같이, NMC 배터리 셀의 충전 곡선(1320)은 그 단자 전압에 대해 실질적으로 꾸준한 증가를 나타낸다. 대조적으로, 개별 LFP 배터리 셀(710)의 충전 곡선(1310)은 초기에 비교적 빠르게 곡선의 편평한 부분으로 증가한다. 충전 곡선(1310)은 대부분의 충전 사이클 동안 비교적 평탄하게 유지된다.
리튬 이온 배터리 셀(710)의 충전 상태(state of charge, "SOC")는 BMS(700)에 의해 지속적으로 모니터링된다. 충전 상태 곡선을 고려할 때, 도 13에 도시된 단순화된 그래프와 유사하게, 리튬 이온 배터리 셀(710)은 전압 변화를 관찰할 수 없는 영역을 갖는다. 도 13에서 화살표(1330)로 볼 수 있는 이 영역은 약 5% 충전과 80% 충전 사이에서 리튬 이온 배터리 셀(710)에 대한 SOC를 평가하는 성능이 표준 방법을 사용하여 어려워진다는 것을 나타낸다. 본 발명의 개선으로, 이 영역에서의 충전 상태는 등가 회로 셀 모델을 사용하여 추정된다. 셀 모델 출력은 두 부분으로 구성된다. 제1 부분은 무부하 및 평형 상태에서 셀의 정적 전압을 모델링하는 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage, "OCV")이다. 제2 부분은 셀을 통한 전류 통과로 인한 셀 전압의 동적 분극이다.
도 14를 참조하면, 도시된 종래 기술은 배터리 셀이 특정 부하 시나리오에 어떻게 반응하는지 시뮬레이션하는 데 사용되는 "등가 회로" 모델(1400)이다. 개방 회로 전압 소스("OCV")(1401)는 부하가 없고 평형 상태인 배터리 셀을 모델링한다. OCV(1401)는 충전 상태("SOC") 및 온도("T")의 정적 함수이다. 히스테리시스 전압(1402)은 셀의 현재 이력에 의존하는 OCV로부터 셀의 평형 정지 전압의 이탈을 모델링한다. 이론적으로, 히스테리시스 전압은 셀이 최근에 충전된 경우 양수이고 셀이 최근에 방전된 경우 음수이다. 히스테리시스 전압(1402)은 셀 전류의 함수인 역학을 가지며, 그 크기는 또한 SOC 및 셀 전류의 함수일 수 있다. 히스테리시스 전압은 셀 휴지 전압이 OCV와 얼마나 다를 것으로 예상되는지 모델링하기 때문에 히스테리시스 전압(1402)을 무시하면 SOC 추정 오류가 발생한다. 저항기(1403)는 배터리 셀의 등가 직렬 저항을 모델링한다. 저항기-커패시터 네트워크 쌍(1404a, 1404b, 1404c)은 배터리 셀(710)의 확산 전압을 모델링하고 Warburg Impedance를 근사화한다. 당업자는 Warburg Impedance가 전극에서 리튬 이온의 확산을 모델링한다는 것을 알아야 한다. 전압 차이(1405)는 설명된 등가 회로 모델(1400)을 사용하여 관찰될 수 있다. 관련 수학과 함께 등가 회로 모델(1400)을 사용하여, 배터리 셀(710)의 입력/출력 관계를 설명하는 데이터 세트가 생성될 수 있다. BMS(700)는 다양한 부하, 온도 및 시간 조건의 시나리오 중에 SOC를 현명하게 보고하도록 보정될 수 있다.
OCV 특성화 및 동적 파라미터 추정을 위한 프로세스는 두 개의 독립적인 데이터 세트를 사용한다. 보정 프로세스 중에, 리튬 이온 배터리 셀은 데이터를 수집하기 위해 셀 사이클러에서 테스트된다. 셀 사이클러는 충전, 최대 전압 및 최소 전압과 같은 배터리 특성을 측정한다. OCV 데이터에는 주변 온도, 그 이상 및 이하의 여러 온도 설정점에서의 전류, 전압 및 전하 측정값이 포함된다. 동적 파라미터 추정 데이터에는 동적 충전 및 방전 데이터가 추가되어 OCV 데이터와 유사하게 얻은 전류, 전압 및 전하 측정이 포함된다. EKF(Extended Kalman Filter)는 배터리 셀의 전류 입력 및 전압 출력을 기반으로 내부 셀 상태를 추정하기 위해 BMS(700)에 프로그래밍 및 보정된다. EKF는 직접 측정할 수 없는 변수에 대한 값을 간접적으로 추정하는 데 사용되는 수치적 방법이라는 것은 당업자에게 알려져 있어야 한다. EKF가 충전 상태를 결정하는 유일한 기여자는 아니지만, 현재 공개 내에서의 기여의 중요성이 주목되어야 한다.
도 15를 참조하면, OCV 모델에 대한 충전 상태 곡선이 도시되어 있다. OCV 특성화는, 측정된 곡선(1500, 1501) 사이에 있는 진정한 OCV 곡선(1502)을 추정하기 위해, 1500 및 1501로 도시된 낮은 C-레이트 충전 또는 방전 곡선을 사용한다. 측정된 곡선(1500, 1501)은 전술한 바와 같이 셀 사이클러 및 방법을 사용하여 획득한 데이터로부터 생성된다. 당업자라면 "C-rate"라는 용어가 배터리 셀의 용량에 대한 배터리 셀의 방전 레벨을 의미한다는 것을 알 것이다.
액티브 밸런싱
도 16을 참조하면, 배터리 뱅크(711a-711d)에 대한 액티브 밸런싱을 구현하기 위한 전략을 예시하는 블록도가 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 모듈(300)의 복수의 배터리 셀(710)은 개별 배터리 뱅크(711a-711d)에서 전기적으로 연결될 수 있다. 액티브 밸런싱은 배터리 뱅크(711a-711d) 사이에 에너지를 분배하는 회로를 지칭한다. 액티브 밸런싱 회로(1600)는 단일 뱅크(711a-711d)로부터 시스템의 나머지 뱅크(711a-711d)로 에너지의 순 전달을 허용하며, 도 16의 화살표(1600)로 도시된다. 뱅크(711a-711d)의 충전 상태 및/또는 전압(1602)이 구성 가능한 한계보다 높으면, 각각의 회로(1600)가 활성화된다. 회로(1600)는 보정된 설정점에서 뱅크(711a-711d)를 방전할 것이고, 따라서 뱅크(711a-711d)에 저장된 에너지가 시스템의 나머지 뱅크(711a-711d)로 전달될 수 있게 한다. 각 회로는 바람직하게는 최대 2 암페어(amps)의 속도로 특정 뱅크를 방전할 수 있다. 방전률은 0 암페어에서 2 암페어 범위에서 조정할 수 있다. 대안적인 실시예는 2암페어보다 큰 최대 방전 속도를 지원할 수 있는 용량을 가질 수 있다. 일단 뱅크(711a-711d)의 충전 상태 및/또는 전압(1602)이 보정된 한계 미만이면, 회로(1800)는 비활성화되고 뱅크(711a-711d) 사이의 에너지 전달이 중단될 것이다.
각 뱅크(711a-711d)가 다른 뱅크(711a-711d)와 독립적으로 동작하는 회로(1600)를 갖도록, 액티브 밸런스 회로(1601a-1601d)의 수는 직렬로 연결된 뱅크(711a-711d)의 수와 동일하다. 예를 들어, 4개의 배터리 뱅크(711a-711d)가 직렬로 장착된 모듈(300)은 4개의 활성 밸런스 회로(1601a-1601d)를 가질 것이다. 각각의 회로(1601a-1601d)는 독립적으로 동작하여 각각의 뱅크(711a-711d)에 대한 관리를 허용한다. 도 16을 보면, 액티브 밸런스 회로(1601a)가 배터리 뱅크(711a)에 연결되어 있다는 것은 예시적인 목적을 위해 명백하며, 동일한 관계가 회로(1601b-1601d) 및 각각의 배터리 뱅크(711b-711d)에 적용 가능하다. 각각의 회로(1601b-1601d)는 제어가 상실된 경우 회로를 수동 상태로 강제하는 수많은 페일 세이프(fail-safe) 메커니즘을 갖는다. 각 회로의 최대 효율은 70%보다 크다는 것에 주의해야 한다.
기타 대안
본 발명은 전술한 개시된 실시예의 관점에서 설명되었지만, 이 설명은 단지 설명을 위해 제공되었으며 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않는다. 예를 들어, 클래스 I 및 Ⅱ 지게차에 대한 언급에도 불구하고, 본 발명의 일부 측면은 다른 타입의 배터리 구동식 산업용 트럭에 더 광범위하게 적용될 수 있음을 이해해야 한다. 실제로, 전술한 설명이 현재 고려되는 수많은 구성요소 및 다른 실시예를 언급하더라도, 당업자는 여기서 명시적으로 참조되거나 제안되지 않은 많은 가능한 대안을 인식할 것이다. 전술한 설명은 관련 기술 분야의 통상의 기술자가 현재 본 발명의 최상의 모드로 간주되는 것을 만들고 사용할 수 있게 해야 하지만, 당업자는 또한 본원에 참조된 특정 실시예, 방법 및 예의 다양한 측면의 수많은 변형, 조합 및 등가물의 존재를 이해하고 인식할 것이다.
따라서, 본원의 도면 및 상세한 설명은 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 모든 것을 포괄하는 것은 아니다. 이들은 개시된 특정 형태 및 실시예로 본 발명을 제한하지 않는다. 반대로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 많은 추가적인 수정, 변경, 재배치, 대체, 대안, 디자인 선택 및 당업자에게 명백한 실시예를 포함한다.
따라서, 모든 면에서, 본원의 도면 및 상세한 설명은 제한적인 방식이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 본 발명을 개시된 특정 형태 및 예에 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다. 어떠한 경우에도, 실질적으로 동등한 모든 시스템, 물품 및 방법은 본 발명의 범위 내에서 고려되어야 하며, 달리 명시되지 않는 한, 모든 구조적 또는 기능적 등가물은 현재 개시된 시스템 및 방법의 사상 및 범위 내에서 유지될 것으로 예상된다.

Claims (15)

  1. 차량에 전력을 제공하도록 재충전 가능한 리튬 이온 배터리 어셈블리로서, 상기 배터리 어셈블리는:
    작동할 수 있는 크기와 형태로 상기 차량의 배터리 구획 내에 끼워진 하우징; 및
    상기 하우징의 내부에 배치된 복수의 배터리 셀 서브어셈블리
    를 포함하고,
    상기 복수의 배터리 셀 서브어셈블리 각각은:
    서브어셈블리 케이싱,
    상기 서브어셈블리 케이싱의 외부에서 배선에 연결되도록 배치된 양극 단자 및 음극 단자,
    상기 케이싱 내에 배치되며 상기 양극 단자와 상기 음극 단자 간의 결합된 전위를 제공하도록 상기 양극 단자 및 상기 음극 단자와 상호 연결된 복수의 리튬 이온 배터리 셀, 및
    상기 케이싱 내의 상기 복수의 배터리 셀에 대한 배향 내에 배치된 인쇄 회로 기판(PCB)-여기서 상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 단부가 상기 인쇄 회로 기판(PCB)에 인접함-
    을 포함하며,
    상기 인쇄 회로 기판(PCB)은:
    상기 복수의 배터리 셀 각각과 전기적으로 결합되는 집전판, 및
    상기 복수의 배터리 셀에 대한 실시간 동작 정보를 획득하도록 구성된 서브어셈블리 프로세서
    를 더 포함하고,
    상기 복수의 배터리 셀 각각에 대해:
    제1 열전도성 갭 필러-여기서 상기 제1 열전도성 갭 필러는 상기 집전판과 상기 배터리 셀 사이에 열을 전달하도록 구성됨-가 상기 배터리 셀의 상기 제1 단부와 접촉하도록 그리고 상기 집전판과 접촉하도록 배치되며,
    제2 열 전도성 갭 필러가 상기 배터리 셀의 제2 단부에 접촉하도록 그리고 상기 서브어셈블리 케이싱에 접촉하도록 배치되고,
    상기 제2 열전도성 갭 필러는 상기 배터리 셀과 상기 서브어셈블리 케이싱 사이에서 열을 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 배터리 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 재충전 가능한 배터리 어셈블리는 산업용 지게차에 전력을 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 배터리 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀 서브어셈블리 각각에 대해:
    상기 PCB는 상기 집전판 상에 배치되며 상기 서브어셈블리 프로세서와 전기적으로 연결된 복수의 서미스터(thermistors)를 더 포함하며,
    상기 서브어셈블리 프로세서는 상기 복수의 서미스터를 사용하여 온도 측정을 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 배터리 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀 서브어셈블리 각각에 대해:
    상기 복수의 서미스터 각각은, 상기 세1 열 전도성 갭 필러 중 하나와 접촉하도록 상기 집전판 상에 배치되며,
    상기 복수의 서미스터 각각에 대해, 상기 서미스터는 상기 복수의 배터리 셀 중 하나와 접촉하는 상기 제1 열전도성 갭 필러의 온도를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 배터리 어셈블리.
  5. 제2항에 있어서,
    각각의 서브어셈블리 프로세서는, 상기 복수의 서미스터로부터의 상기 온도 측정에 기초하여, 각각의 배터리 셀 서브어셈블리의 상기 복수의 배터리 셀에 대한 추정된 배터리 온도를 결정하도록 구성되며,
    상기 재충전 가능한 배터리 어셈블리는:
    상기 배터리 셀 서브어셈블리를 지나 공기를 이동시켜 상기 복수의 배터리 셀 서브어셈블리를 냉각시키도록 구성된 복수의 냉각 팬; 및
    감독 프로세서
    를 더 포함하고,
    상기 감독 프로세서는:
    각각의 배터리 셀 서브어셈블리의 상기 추정된 배터리 온도를 얻기 위해, 각각의 서브어셈블리 프로세서와 통신하며,
    배터리 셀 서브어셈블리에 대한 추정된 배터리 온도 중 하나가 임계 온도보다 높다는 결정에 응답하여 상기 냉각 팬을 활성화하도록
    구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 배터리 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서, 상기 임계 온도는 상기 감독 프로세서에 프로그래밍된 미리 결정된 임계 온도인 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 배터리 어셈블리.
  7. 제5항에 있어서, 상기 임계 온도는 주변 온도에 대해 상대적으로 상기 감독 프로세서에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 배터리 어셈블리.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 서브어셈블리 케이싱은 베이스와 커버를 포함하고;
    상기 베이스는 상기 제2 열전도성 갭필러와 접촉하도록 배치되며,
    상기 베이스는 알루미늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 배터리 어셈블리.
  9. 제2항에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀 서브어셈블리 각각에 대해, 상기 복수의 배터리 셀 각각은 인산철 리튬 배터리 셀인 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 배터리 어셈블리.
  10. 제2항에 있어서, 상기 제1 열전도성 갭 필러 및 상기 제2 열전도성 갭 필러 각각은 실리콘계 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 배터리 어셈블리.
  11. 배터리 전원으로 구동되도록 구성된 전동 지게차 트럭으로서, 상기 전동 지게차 트럭은:
    배터리 어셈블리 구획; 및
    상기 지게차 트럭에 전력을 공급하도록 구성되며 상기 배터리 어셈블리 구획 내에 배치되는 배터리 어셈블리
    를 포함하고,
    상기 배터리 어셈블리는:
    상기 배터리 어셈블리 구획 내에 동작 가능하게 끼워지는 크기의 어셈블리 하우징; 및
    상기 어셈블리 하우징 내부에 배치되는 복수의 배터리 셀 서브어셈블리
    를 포함하며,
    상기 복수의 배터리 셀 서브어셈블리 각각은:
    서브 어셈블리 케이싱,
    상기 서브어셈블리 케이싱의 외부에서 접근 가능하도록 배치된 양극 단자 및 음극 단자,
    상기 서브어셈블리 케이싱 내부에 배치되며 상기 양극 단자와 상기 음극 단자 간의 결합된 전위를 제공하도록 상기 양극 단자 및 상기 음극 단자와 상호 연결된 복수의 배터리 셀, 및
    상기 복수의 배터리 셀 각각의 제1 단부에 인접한 상기 서브어셈블리 케이싱 내에 배치된 인쇄 회로 기판 어셈블리(PCBA)
    를 포함하고,
    상기 인쇄 회로 기판 어셈블리(PCBA)는:
    상기 복수의 배터리 셀 각각과 전기적으로 결합되는 집전판, 및
    상기 복수의 배터리 셀의 실시간 동작 정보를 획득하도록 구성된 배터리 관리 시스템(BMS)
    을 포함하며,
    상기 복수의 배터리 셀 각각에 대해:
    제1 열전도성 갭 필러-여기서 상기 제1 열전도성 갭 필러는 상기 집전판과 상기 배터리 셀 사이에 열을 전달하도록 구성됨-가 상기 배터리 셀의 상기 제1 단부와 접촉하도록 그리고 상기 집전판과 접촉하도록 배치되며,
    제2 열 전도성 갭 필러가 상기 배터리 셀의 제2 단부에 접촉하도록 그리고 상기 서브어셈블리 케이싱에 접촉하도록 배치되고,
    상기 제2 열전도성 갭 필러는 상기 배터리 셀과 상기 서브어셈블리 케이싱 사이에서 열을 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지게차 트럭.
  12. 제11항에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀 서브어셈블리 각각에 대해:
    상기 인쇄 회로 기판 어셈블리(PCBA)는 상기 집전판 상에 배치되고 상기 배터리 관리 시스템(BMS)과 전기적으로 연결된 복수의 서미스터를 더 포함하며;
    상기 배터리 관리 시스템(BMS)은 상기 복수의 서미스터를 사용하여 온도 측정을 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지게차 트럭.
  13. 제12항에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀 서브어셈블리 각각에 대해:
    상기 복수의 서미스터 각각은, 상기 세1 열 전도성 갭 필러 중 하나와 접촉하도록 상기 집전판 상에 배치되며,
    상기 복수의 서미스터 각각에 대해, 상기 서미스터는 상기 복수의 배터리 셀 중 하나와 접촉하는 상기 제1 열전도성 갭 필러의 온도를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 지게차 트럭.
  14. 제12항에 있어서,
    각각의 SMS는, 상기 복수의 서미스터로부터의 상기 온도 측정에 기초하여, 각각의 배터리 셀 서브어셈블리 내에 있는 상기 복수의 배터리 셀에 대한 추정된 배터리 온도를 결정하도록 구성되며,
    상기 배터리 어셈블리는:
    상기 배터리 셀 서브어셈블리를 지나 공기를 이동시켜 상기 복수의 배터리 셀 서브어셈블리를 냉각시키도록 구성된 복수의 냉각 팬, 및
    배터리 운용 시스템 감독(BOSS) 모듈
    을 더 포함하고,
    상기 배터리 운용 시스템 감독(BOSS) 모듈은:
    각각의 배터리 셀 서브어셈블리의 상기 추정된 배터리 온도를 얻기 위해, 각각의 BMS와 통신하며,
    배터리 셀 서브어셈블리에 대한 상기 추정된 배터리 온도 중 하나가 임계 온도보다 높다는 결정에 응답하여 상기 냉각 팬을 활성화하도록
    구성되는 것을 특징으로 하는 지게차 트럭.
  15. 제14항에 있어서, 상기 임계 온도는 복수의 미리 결정된 임계 온도 중 적어도 하나이며 주변 온도에 대해 상대적으로 감독 프로세서에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 지게차 트럭.
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