KR20230148204A - 전기화학 셀을 위한 와이어 본드 퓨즈 한정-선택 - Google Patents

전기화학 셀을 위한 와이어 본드 퓨즈 한정-선택 Download PDF

Info

Publication number
KR20230148204A
KR20230148204A KR1020237031922A KR20237031922A KR20230148204A KR 20230148204 A KR20230148204 A KR 20230148204A KR 1020237031922 A KR1020237031922 A KR 1020237031922A KR 20237031922 A KR20237031922 A KR 20237031922A KR 20230148204 A KR20230148204 A KR 20230148204A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cell
wire bond
wire
cells
cell assembly
Prior art date
Application number
KR1020237031922A
Other languages
English (en)
Inventor
카일 제임스 힐
케빈 앤드류 놀티
발렌시아 후안 엠. 마르티네즈
제이슨 크렌츠
존 케네스 조지
Original Assignee
이글피처 테크놀로지스, 엘엘시
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 이글피처 테크놀로지스, 엘엘시 filed Critical 이글피처 테크놀로지스, 엘엘시
Publication of KR20230148204A publication Critical patent/KR20230148204A/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574—Devices or arrangements for the interruption of current
    • H01M50/583—Devices or arrangements for the interruption of current in response to current, e.g. fuses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0046—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to electric energy storage systems, e.g. batteries or capacitors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/04—Cutting off the power supply under fault conditions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H01M50/207—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape
    • H01M50/213—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells characterised by their shape adapted for cells having curved cross-section, e.g. round or elliptic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/509—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing characterised by the type of connection, e.g. mixed connections
    • H01M50/51—Connection only in series
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/509—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing characterised by the type of connection, e.g. mixed connections
    • H01M50/512—Connection only in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/514—Methods for interconnecting adjacent batteries or cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574—Devices or arrangements for the interruption of current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/10—Temperature sensitive devices
    • H01M2200/103—Fuse
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)

Abstract

셀 어셈블리 및 셀 어셈블리를 조립하는 방법은: 셀 하우징 내에 복수의 셀들을 설치하는 단계; 및 적어도 하나의 와이어 본드를 통해 각각의 셀을 각각 다른 셀에 전기적으로 연결하는 단계로서, 각각의 와이어 본드는, 정상 작동 동안 각각의 셀로부터 전류를 전도하도록, 그리고 미리 결정된 전류가 미리 결정된 시간 기간 동안 문턱치를 초과할 때 와이어 본드를 통한 그러한 전기적 연결을 단절하도록, 선택되는, 단계;를 포함한다.

Description

전기화학 셀을 위한 와이어 본드 퓨즈 한정-선택
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 2월 18일에 출원된 미국 출원 번호 제 63/150,801호의 우선권 및 이익을 주장하고, 그 전체 내용이 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
리튬 이온 전기화학 셀은 다양한 장치 및 응용 분야에서 전원으로 사용된다. 종종, 이러한 셀들은, 예를 들어, 전기 차량, 육상 차량, 항공기, 및/또는 선박에 전력을 공급하기 위한 배터리 팩들로 활용된다. 리튬 이온 및 다른 유형의 전기화학 셀은 휘발성이 있을 수 있으므로, 안전하지 않은 작동을 방지하기 위해 퓨징 기능부(fusing features)가 자주 사용된다. 두 매질 사이의 전류 운반 장치로서 뿐만 아니라, 다양한 구현, 적용 분야, 환경, 등을 견딜 수 있는 정밀한 퓨징 요소(fusing element)로서 작용할 수 있는 개선된 설계를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
일부 구현예에 따르면, 셀 어셈블리를 조립하는 방법이 제공된다. 본 방법은 셀 하우징 내에 복수의 셀들을 설치하는 단계, 및 적어도 하나의 와이어 본드(wire bond)를 통해 각각의 셀을 각각 다른 셀에 전기적으로 연결하는 단계를 포함하고, 여기서, 각각의 와이어 본드는, 정상 작동 동안 각각의 셀로부터 전류를 전도하도록, 그리고 미리 결정된 전류가 미리 결정된 시간 기간 동안 문턱치를 초과할 때 와이어 본드를 통한 전기적 연결을 단절(server)하도록, 선택된다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들에 더하여, 또는 대안으로서, 본 방법의 추가 구현예들은, 셀들이 전기적으로 직렬로 연결되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들에 더하여, 또는 대안으로서, 본 방법의 추가 구현예들은, 하나의 셀의 와이어 본드가 상기 셀의 양의 단자로부터 인접 셀의 음의 단자까지 연결하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들에 더하여, 또는 대안으로서, 본 방법의 추가 구현예들은, 셀이 전기적으로 병렬로 연결되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들에 더하여, 또는 대안으로서, 본 방법의 추가 구현예들은, 각각의 와이어 본드가 복수의 셀들을 전기적으로 연결하는 전도체에 연결되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들에 더하여, 또는 대안으로서, 본 방법의 추가 구현예들은, 와이어 본드가 문턱치 및 미리 결정된 시간 기간에 기초하여 단절되도록, 와이어 본드의 와이어 길이, 와이어 직경, 와이어 코팅 및 와이어 재료 중 적어도 하나를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들에 더하여, 또는 대안으로서, 본 방법의 추가 구현예들은, 와이어 본드의 선택이, 최소 시간-전류 곡선과 최대 시간-전류 곡선 사이에 정의되는 I2t 플롯의 와이어 본드 영역 내에 속하도록 결정되고, 와이어 본드의 단절이, 하나 이상의 미리 결정된 전류들, 및 그러한 미리 결정된 전류들의 지속시간에서 발생하는 것을 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 따르면, 셀 어셈블리들이 제공된다. 셀 어셈블리들은, 하우징 내에 배열된 복수의 셀들, 및 복수의 셀들 중 각각의 셀로부터, 복수의 셀들 중 다른 셀에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 와이어 본드를 포함하고, 여기서 각각의 와이어 본드는, 정상 작동 동안 각각의 셀로부터 전류를 전도하도록, 그리고 미리 결정된 전류가 미리 결정된 시간 기간 동안 문턱치를 초과할 때 와이어 본드를 통한 그러한 전기적 연결을 단절하도록, 선택된다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들에 더하여, 또는 대안으로서, 셀 어셈블리들의 추가 구현예들은 셀들이 전기적으로 직렬로 연결되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들에 더하여, 또는 대안으로서, 셀 어셈블리들의 추가 구현예들은, 하나의 셀의 와이어 본드가 셀의 양의 단자로부터 인접한 셀의 음의 단자까지 연결되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들에 더하여, 또는 대안으로서, 셀 어셈블리들의 추가 구현예들은, 셀들이 전기적으로 병렬로 연결되는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들에 더하여, 또는 대안으로서, 셀 어셈블리들의 추가 구현예들은, 전도체를 포함할 수 있으며, 각각의 와이어 본드는 복수의 셀들을 전기적으로 연결하는 전도체에 연결된다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들에 더하여, 또는 대안으로서, 셀 어셈블리들의 추가 구현예들은, 전도체와 하우징 사이에 배열되고 전도체를 하우징에 고정하도록 구성된 접착제 층을 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들에 더하여, 또는 대안으로서, 셀 어셈블리들의 추가 구현예들은, 전도체와 하우징 사이에 배열되고 전도체에 안정성을 제공하도록 구성된 강화층(stiffening layer)을 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들에 더하여, 또는 대안으로서, 셀 어셈블리들의 추가 구현예들은, 외부 전기 장치와 전기적으로 연결하도록 구성된 셀 어셈블리 양의 단자 및 셀 어셈블리 음의 단자를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 특징들에 더하여, 또는 대안으로서, 셀 어셈블리들의 추가 구현예들은, 각각의 셀의 적어도 하나의 와이어 본드가 각각의 셀의 양의 단자에 연결되는 것을 포함할 수 있으며, 셀 어셈블리는 각각의 셀의 음의 단자에 부착되도록 구성된 적어도 하나의 추가 와이어 본드를 더 포함한다.
도 1a는, 본 개시의 구현예에 따라, 복수의 개별 전기화학 셀들, 및 병렬로 배열된 복수의 와이어 본드 퓨징 요소들을 포함하는 전기화학 셀 어셈블리의 양태를 보여준다.
도 1b는 도 1a의 셀 어셈블리의 일 부분의 확대도이며;
도 1c는 도 1a의 셀 어셈블리의 저면 사시도이며;
도 2a는 본 개시의 구현예에 따라 셀들의 상단부들에 본딩(bonding)된 채 직렬로 연결된 전기화학 셀 어셈블리를 보여주며;
도 2b는 도 2a의 전기화학 셀 어셈블리의 저면 사시도이며;
도 3은 본 개시의 구현예에 따라 와이어 본드의 퓨징 특성을 한정-선택(down-select)하는 방법을 도시하는 예시적 플롯이며;
도 4는 셀들이 병렬로 연결된 이중 와이어 와이어 본드(dual-wire wire bonds)를 갖는 본 개시의 구현예에 따른 셀 어셈블리를 보여준다.
본 개시의 발명적 양태들은 다양한 도면을 참조하여 아래에서 상세히 설명된다. 실세예는 그 범위를 제한하기 위한 것이 아니라 개시된 주제를 예시하기 위해 설명된다. 당해 기술 분야의 통상의 기술자는 하기의 설명에서 제공되는 다양한 특징들의 다수의 균등한 변화를 인식할 것이다.
본 개시는 리튬 이온 전기화학 셀과 같은 전기화학 셀, 및 전기화학 셀 어셈블리에 사용하기 위한 퓨징 장치 또는 퓨징 요소에 관한 것이다. 주목되는 바와 같이, 본 개시된 셀 어셈블리 및 그의 구성요소는 그렇게 제한되지 않는데, 이는, 당해 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 본 개시의 양태들이 다양한 유형의 전기화학 셀, 예를 들어, 니켈 금속 하이드라이드 셀, 니켈 카드뮴 셀, 은 아연 셀, 다양한 리튬계 셀, 임의의 원통형 전기화학 셀, 등과 함께 사용될 수 있기 때문이다.
전기화학 셀 어셈블리의 일 양태는 리튬 이온 셀과 같은 복수의 개별 전기화학 셀들을 포함한다. 셀 어셈블리(예를 들어, 배터리 팩)는 복수의 퓨징 요소들을 포함한다. 각각의 셀은 각각의 퓨징 요소에 의해 다른 셀들에 전기적으로 연결된다. 각각의 퓨징 요소는, 셀 단자에 접합되는 제1 단부, 및 셀들을 직렬 또는 병렬 구성으로 전기적으로 연결하기 위해 전도체 또는 다른 셀 단자에 접합되는 제2 단부를 갖는 와이어를 포함하거나 또는 와이어로 구성된다. 본딩 또는 부착된, 이러한 와이어를, "와이어 본드"라고 지칭한다. 각각의 와이어 본드는, 와이어 유형 및 재료, 직경, 길이, 형상, 저항, 코팅, 등과 같은, 각각의 와이어의 속성들을 선택하여 체계적으로 설계된다. 주어진 응용 분야에 필요한 적합한 퓨징 특성을 위해, 속성들이 선택될 수 있다.
본 명세서에 기술된 퓨즈들 또는 퓨징 요소들은 특정 조건에 도달할 때 전도되는 전기를 끊거나 중단하도록 선택 및 구성된 전기전도성 요소들(예를 들어, 와이어들)이다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 와이어들은, 그러한 퓨즈들을 통과하는 고온 및/또는 과도한 전류로 인해 전기적 연결을 용융시키거나 그렇지 않으면 파괴하고 단절하도록, 선택될 수 있다. 이러한 퓨즈들의 목적은, 셀 어셈블리의 단일 셀이 단락 등으로 인해 연쇄적 사건(cascade event)을 일으키지 않도록 및/또는 열 폭주를 방지하도록 보장하는 것이다. 퓨즈 요소들은 하나의 고장난 셀의 전기적 연결을 단절하고 따라서 셀 어셈블리의 나머지 셀들로부터 셀을 전기적으로 분리함으로써 더 이상의 셀 고장을 방지할 것이다.
본 명세서에 기술된 전기화학 셀 및 셀 어셈블리들의 양태들은 많은 이점을 제공하고 많은 문제를 해결한다. 예를 들어, 리튬 이온 셀은 휘발성이 있을 수 있으므로 올바르게 모니터링하지 않으면 안전하지 않다. 퓨징으로 이러한 셀들을 보호하는 것은 안전한 작동을 보장하는 한 가지 방법이다. 종래의 퓨즈에는 일부 구현예들이 견딜 수 없는 한계가 있다. 본 명세서에 기술되고 본 개시의 구현예에 따른 와이어 본드 퓨징 요소들은 더 넓은 적용 가능성을 가지며, 종래의 퓨즈들에 적합하지 않을 수 있는 조건들을 견딜 수 있다.
본 명세서에 기술된 퓨징 요소들은 체계적으로 설계되거나, 설계될 때 개방(open)되도록 조정된다. 이러한 퓨징 요소들은 종래의 퓨즈들의 필요성을 없애는 동시에, 이전에 연결하기 어려웠던 두 매질 사이에 전류 전달 경로를 제공한다. 또한, 와이어 본드 퓨징 요소들을 사용하면, 개별 셀 단락이 전체 셀 어셈블리 또는 전체 배터리 뱅크를 파괴하는 우려를 줄이거나 제거할 수 있으며, 동시에 어셈블리의 나머지 셀들은 계속 작동할 수 있도록 한다.
본 명세서에 기술된 바와 같은 와이어 본드 퓨징 요소들은, 예를 들어, 종래의 가용성 링크들 및 용접 탭들과 같은, 다른 퓨징 구성보다 상당히 적은 공간을 차지하기 때문에, 유리하다. 또한, 와이어 본드들은 종래의 퓨즈보다 개방(open) 후 더 높은 전압을 견딜 수 있으며, 종래의 퓨즈보다 개방 후 더 안전한 작동을 촉진한다. 예를 들어, 개방된 와이어 본드는 잔여 와이어들 사이에 큰 에어 갭을 나타내며, 이는 와이어 본드가 종래의 퓨즈들보다 높은 전압을 사용하는 시스템에서 안전하게 작동하도록 한다. 또한, 와이어 본드들은 다른 퓨징 구성들보다 덜 강성이고 더 가볍기 때문에, 그것들이 더 높은 진동 프로파일을 견딜 수 있도록 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 개시의 일 구현예에 따른 전기화학 셀 어셈블리(100)의 양태들을 보여준다. 셀 어셈블리(100)는 복수의 개별 전기화학 셀들(102)을 가지며, 이는 목적하는 용량을 달성하기 위해 전기적으로 병렬로 연결된다. 복수의 셀 어셈블리들(100)은 추가 전압을 달성하기 위해 스트링으로서 직렬로 연결될 수 있다. 일 양태에 있어서, 전기화학 셀들(102)은 리튬 이온 셀이지만, 임의의 다른 적합한 유형의 셀일 수 있다.
셀 어셈블리(100)는 셀들(102)을 유지 및 절연하도록 구성된 하우징(104)을 포함한다. 전도체(106)는 하우징(104) 내부 또는 하우징(104) 상에 배치되고, 셀들(102)을 병렬로 전기적으로 연결하도록 구성된다. 하우징(104)은 비전도성 재료로 형성될 수 있고, 셀 어셈블리(100) 내에 셀들(102)을 고정하도록 구성된다. 전도체(106)는, 복수의 구멍들(108)을 포함하는 전도성 재료(예를 들어, 구리)의 시트이다. 각각의 구멍(108)은 셀(102)의 양의 단자(110)에 근접하게 위치된다. 어셈블리(100)는 셀들(102)의 음의 단자들에 전기적으로 연결된 추가적인 전도체를 포함하여, 셀 어셈블리 음의 단자(111)를 형성한다(예를 들어, 도 1c 참조). 이 예시적인 구현예에서, 전도체(106)는 하우징(104)에 대한 상단부 또는 덮개를 형성한다. 그러나, 다른 구현예들에서, 전도체는 대안적인 방식으로 배치되거나 배열될 수 있다. 예를 들어, 하우징은 절연 상단부를 포함할 수 있고, 전도체는 이러한 절연 상단부 아래에 배열될 수 있으며, 동시에 여전히 셀 어셈블리의 다양한 셀들을 전기적으로 연결한다.
각각의 셀(102)은 퓨징 요소 또는 와이어 본드(112)에 의해 전도체(106)에 전기적으로 연결된다. 와이어 본드들(112)은 하나의 매질에서 다른 매질로 전류를 전달하는 데 사용될 뿐만 아니라, 목적하는 양의 전류를 유지하고 목적하는 전류 문턱치 아래에서 개방(또는, 차단)하는 것과 같은, 목적하는 퓨징 특성을 갖도록 설계되어 과도한 전류를 피한다. 예를 들어, 와이어 본드들(112)은 각각의 개별 셀(102)로부터 전도체(106) 내로 전류를 전달한 다음 셀 어셈블리 양의 단자(114)를 통해 외부 전기 구성요소로 전류를 전달하도록 구성된다. 이러한 전기적 연결을 제공하는 것 외에도, 와이어 본드들(112)은, 특정 작동 조건(예를 들어, 단락, 열 폭주, 휘발성 이벤트, 등)이 존재할 때 개별 셀들(102)과 전도체(106) 사이의 이러한 연결을 단절하도록 구성된다. 와이어 본드들(112)은, 예를 들어, 구리, 알루미늄, 금, 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 적합한 재료로 형성될 수 있다. 일부 구현예들에서, 와이어 본드들(112)은, 또 다른 본딩 방법으로서, 리본 케이블로서 또는 리본 케이블로부터, 형성될 수 있다. 이러한 리본 케이블은 도시된 와이어들과 전기적으로 유사하지만, 원형 와이어 형태가 아닌, 편평하고 넓은 전기 연결부로서 형성될 것이다. 이해될 수 있는 바와 같이, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다른 유형의 전기 연결(예를 들어, 와이어, 리본, 막대 등)이 사용될 수 있다.
각각의 셀(102)은 개별 원통형 셀들의 중심 "캡(cap)"을 포함하고, 이는 양의 단자(110)이다. 셀들(102)의 전기화학적 구성요소들(예를 들어, 캐소드(들), 애노드(들), 세퍼레이터(들), 등)를 포함하는 개별 셀(102)의 케이싱, 인클로저 또는 외층은, 각각의 개별 셀(102)의 음의 단자를 한정하거나 형성한다. 일부 구현예들에서, 예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 도시되고 설명된 바와 같이, 각각의 셀(102)의 음의 단자가 각각의 셀(102)의 상단부(예를 들어, 양의 단자(110)를 둘러싸고)에서 노출되기 때문에, 이것은 셀 팩의 하단부를 터치할 필요 없이 배터리를 직렬로(도 1a 내지 도 1c에 도시된 병렬 구성과 비교하여) 연결하기 위한 와이어 본딩 공정을 허용하며, 이는 시간과 비용을 절감할 수 있다. 셀의 상단부와 하단부 모두 상에 있는 와이어 본드와 마찬가지로, 이 공정은 또한 두 개의 와이어 본드 퓨징 특성을 함께 사용하여 훨씬 더 개선된 퓨징 특성을 제공한다. 예를 들어, 하나의 와이어 본드는 단락 상태의 원인일 수 있고, 반면에 다른 와이어 본드는 서로 접촉하게 되는 불균형한 병렬 스트링들(unbalanced parallel strings)이 서로 접촉하게 되는 것의 원인일 수 있다.
각각의 와이어 본드(112)는, 예를 들어, 각각의 셀(102)의 제한 또는 휘발성 이벤트를 촉진할 수 있는 것에 기초하여 구성된다. 와이어 본드(112)는 셀(102)이 이러한 제한에 이르는 것에 대항하여 보호하는 퓨징 요소로서 셀 보호를 제공하기 위해 체계적으로 이용될 수 있다. 와이어 본드들(112)은 목적하는 기능성을 달성하기 위해 다양한 특성 또는 속성으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 와이어 본드들(112)은 정상적인 사용 동안 셀들(102)로부터 전도체(106) 내로 전류를 전달하고, 이러한 와이어 본드(112)가 이러한 정상적인 사용 중에 고장나지 않는 것을 보장하도록 구성되어야 한다. 그러나, 와이어 본드들(112)은 또한, 특정 조건들(예를 들어, 단락, 열 폭주, 휘발성 이벤트, 등)이 충족될 때, 셀(102)과 전도체(106) 사이의 전기적 연결을 확실히 단절하도록 구성된다. 와이어 본드들(112)의 이들 특성은, 와이어 길이, 와이어 직경, 와이어 기하학 및/또는 기하학적 형상, 와이어의 재료 선택, 와이어 상의 선택적(optional) 코팅 재료의 선택, 와이어 길이에 따른 변곡점들(inflection points), 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
조립된 상태에서, 셀 어셈블리(100)는 셀들(102)로부터 전기 부하(electrical load)로 전력을 공급하도록 구성된다. 이와 같이, 셀 어셈블리(100)는 전기적 연결을 위한 셀 어셈블리 양의 단자(114)(예를 들어, 하나 이상의 단자들)를 포함한다. 일부 구현예들에서, 그리고 도 1b에 도시된 바와 같이, 셀 어셈블리(100)는 전도체(106)를 셀 어셈블리(100)의 상단부에 고정 및 부착하도록 구성된 접착제 층(116)을 포함한다. 또한, 본 구현예에서, 셀 어셈블리(100)는 비전도성 강화 부품(stiffener)(118)을 포함한다. 비전도성 강화 부품(118)은, 전도체(106)에 대한 최적의 와이어 본드 접착을 위해, 전도체(106)가 하우징(104)에 대해 편평하고 안정적으로 유지되는 것을 보장하도록 구성된다. 일부 비제한적 예에서, 접착제 층(116)은 양면 감압 접착제 또는 에폭시일 수 있고, 비전도성 강화 부품(118)은 유리 강화 에폭시 적층체, 플라스틱 시트, 사출 성형 부품, 등일 수 있다. 이들은 단지, 본 개시의 일부 비제한적 구현예에 따라, 이러한 양태들을 형성하는 데 사용될 수 있는 재료 및 구조의 예일 뿐이다.
도 1c는 셀 어셈블리(100)의 저면도를 예시한다. 이 구성에서, 셀들(102)의 음의 단자들(120)은 셀 어셈블리(100)의 히트싱크(heatsink)(122)에 전기적으로 연결되는 것으로 도시된다. 즉, 셀들(102)의 음의 단자들(120)은 각각의 와이어 본드들(124)에 의해 히트싱크(122)의 오목한 위치들에 전기적으로 와이어 본딩된다. 히트싱크(122)는 셀 어셈블리(100)의 양의 측면(positive side)의 전도체(106)와 유사하게 작동하도록 구성된다. 히트싱크(122)는 밀링되거나 다른 방법에 의해 함몰될 수 있어서, 셀 어셈블리(100)는, 와이어 본드들(124)의 특성을 해치거나 또는 다른 방식으로 손상시키지 않은 채, 표면 상에 평평하게 놓일 수 있다. 히트싱크(122)는 셀 어셈블리(100)의 음의 단자(들)(111)을 위한 전기 버스 플레이트로서 기능하도록 구성된다.
와이어 속성들은 다양한 전류 시나리오에 대한 퓨징 요소로서 와이어 본드(112)를 구성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 적합하게 설계된 와이어 본드(112)는, 도 3과 관련하여 설명된 바와 같이, 동일한 적용분야 내에서 상한(upper limit) 전류 시나리오와 하한(lower limit) 전류 시나리오 모두에 대한 퓨징 요소로서 작용할 수 있다. 와이어 본드들(112)은 각각의 셀들(102)과 전도체(106) 사이의 유일한 전기적 연결을 제공한다. 따라서, 와이어 본드(112)가 그것을 통해 흐르는 과도한 전류로 인해 끊어지는(또는, 개방되는) 경우, 하나의 셀(102)은 셀 어셈블리(100)의 다른 셀들(102)과 전기적으로 절연될 수 있다. 이는, 하나의 셀이 단락되고, 단락된 셀이 전도체를 통해 다른 모든 셀들로부터 전류를 끌어올 때 발생할 수 있다. 이렇게 다른 셀들로부터 전류를 끌어오면 와이어 본드를 통해 높은 전류가 흐르고 열이 발생할 수 있다. 전류가 증가하면, 와이어 본드 내의 열 에너지도 증가한다. 전류(또는, 열)의 양이 와이어 본드의 미리 결정된 한계를 초과하면, 와이어 본드는 전도체로부터 단락된 셀을 끊거나, 용융하거나, 단절하거나, 그렇지 않으면 전기적으로 분리하여, 셀 어셈블리의 다른 셀들에 대한 전기 연결을 단절한다. 그러나, 와이어 본드들의 크기가 적절하지 않으면, 단락된 셀로부터의 전류의 초기 상승은, 단락된 셀의 와이어 본드를 개방할 뿐만 아니라, 인접한 셀들의 와이어 본드들의 일부 또는 전부를 개방하여, 셀 어셈블리를 작동 불능으로 만들기에 충분할 수 있다. 따라서, 이러한 유형의 와이어 본드들의 개방의 연쇄적 발생(cascading)은 피해야 하며, 이러한 회피는 와이어 본드들의 물리적 특성을 정의함으로써 달성될 수 있다.
이제 도 2a 내지 도 2b로 돌아가면, 본 개시의 일 구현예에 따른 전기화학 셀 어셈블리(200)의 대안적인 구성이 도시되어 있다. 셀 어셈블리(200)는 복수의 개별 전기화학 셀들(202)을 가지며, 이는 전기적으로 직렬로 연결되어 목적하는 전압을 달성한다. 일 양태에서, 전기화학 셀들(202)은 리튬 이온 셀들이지만, 임의의 다른 적합한 유형의 셀일 수 있다.
셀 어셈블리(200)는 셀들(202)을 유지하고 절연하도록 구성된 비전도성 하우징(204)을 포함한다. 이 구현예들에서, 전도체에 개별 셀들(202)을 연결(도 1a-1c의 구현예에 도시된 바와 같이)하기보다는, 각각의 셀(202)은 와이어 본드(206)를 통해 인접한 셀에 전기적으로 연결된다. 도 1a 내지 도 1c의 구성과 유사하게, 개별 원통형 셀들(202)의 중앙 "캡"은 양의 단자(208)이다. 개별 셀(202)을 둘러싸는 음의 단자(210)는 개별 셀들(202)의 케이스 또는 쉘에 의해 형성된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 주어진 셀(202)의 양의 단자(208)는 와이어 본드(206)에 의해 인접한 셀(202)의 음의 단자(210)에 전기적으로 연결된다. 음의 단자(210)가 또한 각각의 셀(202)의 상단부(양의 단자(208)) 상에 노출되어 있기 때문에, 이는 와이어 본딩 공정이 셀 팩의 하단부를 터치하지 않고도 배터리를 직렬로 연결할 수 있어, 시간과 비용을 절약할 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, I2t 플롯(300)은 본 개시의 구현예에 따른 와이어 본드의 한정-선택 과정(down-select process)의 예를 제공하기 위해 도시되어 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 한정-선택이라는 용어는, 목적하는 결과를 달성하기 위해 주어진 와이어 본드의 상한 및 하한 전류 제한을 정의할 뿐만 아니라, 와이어 본드의 가능한 범위를 좁히기 위해 와이어 본드 파라미터들을 결정하는 과정을 말한다. 이러한 하향 선택 과정에는 적용분야 요구 사항을 충족하기 위해 와이어 본드들의 가변 특성을 조정하는 단계를 포함된다. 그러한 특성은, 와이어 길이, 와이어 직경, 와이어 기하학 및/또는 기하학적 형상, 와이어의 재료 선택, 와이어 상의 선택적(optional) 코팅의 재료 선택, 와이어 길이에 따른 변곡점, 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 플롯(300)은 전류 흐름으로 인한 이용가능한 열 에너지의 표현을 나타내는 I2t 플롯이다. 퓨즈(fuses)와 관련하여, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 상기 항(term)은, 용융(melting), 아크 방전(arcing), 및 최대 고장 제거(total clearing) I2t로서 표현된다. I2t의 단위는 제곱-암페어-초[A2-s]로 표시된다.
플롯(300)에서, 최소 시간-전류 곡선(302)(와이어 본드 파라미터의 하한 범위)은 최소 허용가능한 와이어 본드 시간-전류 곡선을 나타내며, 목적하는 퓨징 특성이 최소 시간-전류 곡선(302)에 비해 시간-전류 플롯(300) 상에서 값이 더 클 것(x축을 따라)임을 의미한다. 최소 시간-전류 곡선(302)은, 예를 들어, 성분 데이터 시트(component data sheet)에 기초하여 설정 또는 결정될 수 있거나, 또는 프로젝트 요구 사항으로부터 알려질 수 있으며, 주어진 적용분야에서 최소 허용가능한 와이어 본드 시간-전류 곡선을 정의할 것이다. 최소 시간-전류 곡선(302) 미만의 전류 및 지속시간에서, 셀은, 전자 회로 차단기 또는 소프트웨어 솔루션과 같은, 비-퓨징 메커니즘을 통해 보호될 수 있다. 이러한 제어는 적합한 작동에 위험이 되지 않는 전류 수준에서 와이어 본드가 퓨징하거나 단절하지 않도록 보장하기 위해 제공될 수 있다. 따라서, 목적하는 전력이 셀 어셈블리들로부터 공급되는 것을 보장하고 와이어 본드의 조기 퓨징을 방지하기 위해, 다른 메커니즘들이 셀 어셈블리들에 통합될 수 있다.
최대 시간-전류 곡선(304)(와이어 본드 파라미터의 상한 범위)은 최대 허용가능한 와이어 본드 시간-전류 곡선을 나타내며, 이상적인 퓨징 특성이 최대 시간-전류 곡선(304)에 비해 시간-전류 플롯(300) 상에서 값이 더 작다(x축을 따라)는 것을 의미한다. 최대 시간-전류 곡선(304)은, 셀 화학 또는 배터리 팩들을 다룰 때, 예를 들어, 전기화학 셀 데이터 시트로부터 설정 또는 획득될 수 있거나, 또는 셀 열 폭주 시험으로부터 알려질 수 있다. 연장된 시간 기간 동안 셀이 정상 작동보다 높은 속도로 전류를 방전할 때, 열 폭주가 발생할 수 있다. 이러한 열 폭주는, 예를 들어, 미세 단락(soft short)으로 인해 발생할 수 있다.
와이어 본드 영역(306)은 최소 시간-전류 곡선(302)과 최대 시간-전류 곡선(304) 사이로 정의된다. 와이어 본드 영역(306)은 셀 어셈블리의 와이어 본드들에 대한 주어진 적용 분야 또는 구현에 대해 허용가능한 작동 파라미터들의 한계 또는 경계를 정의한다. 와이어 본드 영역(306)을 정의함으로써, 와이어 본드 영역(306) 내에 부합하는 특성 및 특징을 갖고, 그에 따라 목적하는 작동을 보장하는 와이어 본드가 발견될 수 있다. 플롯(300)에서, 곡선(308)은 와이어 본드 영역(306) 내에 부합하도록 설계된 예시적인 와이어 본드를 나타낸다.
주목되는 바와 같이, 플롯(300)의 x-축 및 y-축 모두는 대수적(logarithmic)이며 전류 수준 및 그것의 지속시간을 나타낸다. 상한 및 하한 전류 제한 시나리오는 도 3의 가로 x축을 따르는 반면, 세로 범위(y축)는 수십 밀리초 내지 수백 초의 시간 범위를 나타낸다. 이와 함께, 임의의 주어진 프로젝트 파라미터에 대한 전류 및 시간은, 시스템 또는 셀 어셈블리의 경계 또는 한계(예를 들어, 곡선(302, 304))를 근사화하는 데 사용될 수 있는 곡선을 생성한다. 예를 들어, 최대 시간-전류 곡선(304)을 참조하면, 와이어 본드는, 10,000 A 이상의 전류가 0.1 초 미만의 기간 동안 존재할 때, 퓨징되거나 개방되지 않을 것이다. 그러나, 이러한 퓨징은, 지속시간이 10 초인 경우, 10,000 A의 전류 수준에서 발생한다. 유사하게, 약 6,000 A의 전류의 경우, 그러한 전류 수준이 약 1,000 초 동안 존재하지 않는 한, 와이어 본드는 퓨징되거나 개방되지 않을 것이다. 이해될 수 있는 바와 같이, 특정 구성 및/또는 적용분야에 대해 다양한 플롯들이 생성될 수 있다.
당해 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 시간-전류 곡선은 근사치이고, 그 선들은 실제로 더 높은 시간 간격에서 훨씬 더 넓은 반면, 더 낮은 시간 간격에서는 더 정확하다. 예를 들어, 1 초 초과에서, 와이어, 코팅 등의 열 특성은 단절 전 와이어 본드의 퓨징 특성의 결과에 영향을 미칠 수 있는 시간이 더 많다. 이로 인해 더 높은 시간 간격에서 곡선이 넓어진다. 1 초보다 더 짧은 시간 동안, 와이어, 코팅 등의 열 특성은 와이어 본드의 퓨징 특성의 결과에 영향을 미칠 시간이 많지 않으므로, 이로 인해 더 짧은 시간 간격에서 곡선이 좁아진다.
플롯(300)은 많은 가능한 와이어 본드 선택을 허용한다(예를 들어, 와이어 본드 영역(306) 내의 와이어 본드 파라미터를 사용하여). 그러나, 모든 시스템 및 셀 파라미터들이 그러한 가능성(즉, 더 크거나 더 작은 와이어 본드 영역)을 허용하지는 않을 것이다. 예를 들어, 일부 프로젝트 파라미터들은 최소 및 최대 시간-전류 곡선이 x축을 따라 서로 근접하는 매우 좁은 와이어 본드 영역(306)(즉, x축을 따른 범위)을 지정할 수 있으며, 따라서, 적합한 와이어 본드를 선택하는 것이 매우 중요하지만, 허용가능한 와이어 본드 파라미터, 속성, 및 특성을 찾기가 어려울 수 있다.
일단 최소값(최소 시간-전류 곡선(302)) 및 최대값(최대 시간-전류 곡선(304))이 허용가능한 허용 오차로 결정되면, 와이어 본드는 둘 사이에(즉, 와이어 본드 영역(306) 내에) 속하는 것으로 계산될 수 있다. 이상적인 시간-전류 곡선은 정상적인 적용분야 및 작동 동안 목적하는 오차 범위로 전기적 연통을 달성하도록 구성된 와이어 본드를 나타내지만, 다른 셀들, 셀 어셈블리, 또는 연결된 전기 장치/시스템에 대한 손상의 위험을 최소화하기 위해, 정해진 시간 기간동안 과도한 전류와 같은, 특정 조건에서 개방되거나 차단되도록 선택된다. 따라서, 와이어 본드는, 예상되거나 요구되는 작동 파라미터의 바깥에서 작동할 수 있는 단일 셀을 제거하고, 그러한 불리한 작동 연결의 연쇄적 발생(cascading)을 방지하도록, 선택될 수 있다.
이상적인 시간-전류 곡선 계산은, 선택된 파라미터들 내에서 퓨징(fusing) 특성을 생성하기 위해, 직경, 길이, 밀도, 재료, 코팅, 등을 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 와이어 속성들을 고려한다. 당해 기술분야의 통상의 기술자에 의해 인식될 수 있는 바와 같이, 주어진 적용분야에 필요한 모든 파라미터들을 충족하는 와이어 본드를 찾는 것은, 목적하는 결과(예를 들어, 적용분야의 필수 파라미터들에 대한 기능)를 달성하기 위해 다양한 조합들로 변경/선택되는 많은 또는 모든 와이어 속성들을 요구할 수 있다. 도 1a 내지 도 1c, 도 2a 및 2b를 계속 참조하여, 본 개시의 구현예들에 따른 일부 다른 퓨징 시나리오의 예들이 이제 설명될 것이다.
일부 구현예들에서, 고전류 시나리오에서, 주어진 셀(102/202)은 셀 어셈블리(100/200) 내의 이웃 셀(102/202)의 단락으로 인해 고전류를 겪을 수 있다. 그러한 고전류 이벤트를 수용하기 위해, 와이어 본드들(112/206)의 속성들이 그러한 시나리오로부터 보호하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 각각의 와이어 본드(112/206)는, 단락된 이웃 셀에 의해 겪게 되는 짧은 기간의 전류 서지(surge of current)를 처리(handle)하고, 동시에 연관된 단락된 셀의 와이어 본드를 개방함으로써, 단락되지 않은 셀들의 지속적인 사용을 가능하게 하도록, 설계될 수 있다. 따라서, 전기화학 셀 어셈블리(100/200)는 하나의 셀이 손실되어도 여전히 기능을 유지할 것이다. 이는, 예를 들어, 셀들(102/202)의 병렬 구성, 및 지속적인 작동 용량을 보장하기 위한 충분한 개수의 셀들(102/202)의 구현을 통해, 달성될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 일부 구현예들에 따르면, 셀 어셈블리들(100/200)은 미리 결정된 작동 용량을 달성하는 데 최소한으로 필요한 것보다 더 많은 셀들(102/202)로 구성될 수 있다. 그러한 구성에서, 정상 작동 동안, 각각의 셀(102/202)은 최대 용량 미만으로 작동할 수 있지만, 만약 하나 이상의 셀들(102/202)이 고장난 경우에는(예를 들어, 과도한 전류 및 와이어 본드들(112/206)의 개방으로 인해), 나머지 셀들(102/202)은 관련 시스템의 지속적인 작동을 보장하기에 충분한 전력을 제공할 수 있다.
일부 구현예들에서, 적당히 높은 전류 시나리오에서, 더 높은 전류 방전(정상 방전과 비교하여)이 장시간 동안 유지될 수 있으며, 이는 열 폭주를 유발할 수 있다. 그러한 열 폭주는 셀 어셈블리들(100/200)에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 각각의 와이어 본드(112/206)는, 선택된 문턱치 초과의 전류 방전이 선택된 시간 기간 동안 유지되는 경우에 개방되도록 설계될 수 있다. 즉, 그러한 와이어 본드들(112/206)이 미리 결정된 시간 기간 동안의 지속적인 고전류 시에 개방되도록, 와이어 본드들(112/206)에 대한 재료, 길이, 직경, 코팅, 등이 선택될 수 있다. 인식될 수 있는 바와 같이, 와이어 본드들(112/206)의 속성들의 선택 및 구성은, 전류 수준이 문턱치 이상에 있지 않고 및/또는 지속시간이 미리 결정된 시간 기간 이상에 있지 않은 경우에는 와이어 본드들(112/206)의 그러한 개방을 방지하거나 회피하여, 셀 어셈블리(100/200)가 모든 셀들(102/202)과 함께 작동을 유지하도록 보장하고, 셀 어셈블리(100/200)의 하나 이상의 와이어 본드들(112/206)을 불필요하게 개방하지 않도록 선택된다.
일부 구현예들에 따르면, 불균형 스트링들(unbalanced strings)을 서로 내로 폐쇄하는 것과 관련된 서지 전류를 해결하기 위해, 와이어 본드(112/206) 내로 보호가 설계될 수 있다. 목적하는 결과에 따라, 와이어 본드(112/206)는, 서지를 처리하고 작동을 지속하거나, 또는 서지가 바람직하지 않은 경우 개방하도록 설계될 수 있다. 또한, 와이어 본드(112/206)가 개방될 때를 적절하게 설계하는 것은, 소프트웨어 예방 조치에 대한 여분(redundancy)으로서 사용될 수 있다. 그러한 소프트웨어는 셀 어셈블리와 관련된 제어기 또는 프로세서에 저장될 수 있으며, 개별 셀들 외부에 있을 수 있다. 소프트웨어는 제1 방어선으로서 사용될 수 있으며, 여기서, 소프트웨어는, 하나 이상의 셀들을 선택적으로(selectively) 분리하고, 및/또는, 셀 어셈블리와 관련된 오류 또는 문제점 등에 대한 시각적 표시를 제공하도록 경고 LED 등을 제어하기 위해 접촉기를 개방하도록 구성될 수 있다. 상태가 계속 악화되면, 와이어 본드가 2차 방어선이 될 것이며, 그에 따라, 본 명세서에서 설명된 대로, 치명적인 사건을 방지하기 위해 개방될 것이다.
본 개시에 따른 와이어 본드(112/206)는, 와이어 속성들의 값들을 선택함으로써 와이어 본드(112/206)가 미리 결정된 조건하에서 개방되도록 설계될 수 있다. 일 양태에서, 와이어 본드(112/206)는 설정 저항(set resistance)을 갖도록 설계될 수 있다. 인식될 수 있는 바와 같이, 설정 저항은, 와이어 본드(112/206)가 개방되는 전류 레벨을 결정하는 특성이다. 목적하는 저항을 얻는 데 도움이 되는 와이어 본드들(112/206)의 속성들은, 비제한적으로, 와이어 본드에 사용되는 와이어를 구성하는 재료(예를 들어, 구리, 알루미늄, 등), 와이어의 직경, 및 와이어의 길이를 포함한다. 와이어 본드(112/206)의 저항 및/또는 작동에 영향을 미칠 수 있는 다른 인자들은, 비제한적으로, 양의 단자와 음의 단자/전도체 사이의 와이어 본드의 루프 또는 다른 기하학적 형상, 및/또는 작동 온도를 포함한다. 일부 구현예들에서, 변곡점(inflection point)이 와이어 본드 내로 통합될 수 있으며, 이는 와이어에 예리한 지점 또는 급격한 변화를 발생시킬 수 있으며, 그에 따라, 그러한 변곡점에서 퓨징/용용을 집중시킬 수 있다.
본 개시의 일부 구현예들에 따르면, 와이어 본드(112/206)는 와이어에 적용된 코팅을 포함할 수 있다. 예를 들어, 와이어 본드는 적합한 절연 재료로 코팅될 수 있다. 그러한 코팅을 사용함으로써, 그렇지 않으면 동등하지만 코팅되지 않은 와이어로부터의 시간-전류 곡선 상에서 퓨징하는 시간을 연장할 수 있다. 따라서, 자석 와이어(magnet wire)와 같은, 와이어에 폴리이미드 또는 유사한 코팅을 추가함으로써, 코팅되지 않은 와이어의 "빠른 블로우(fast blow)" 작용(단절이 발생하기 위한 상대적으로 짧은 시간)과는 반대로, "느린 블로우(slow blow)" 퓨징 특성(단절이 발생하기 위한 상대적으로 긴 시간)을 더 많이 제공할 수 있다.
본 개시의 일부 구현예들에 따르면, 와이어 본드(112/206)와 같은, 와이어 본드를 제조 및/또는 설계하는 방법이 본 명세서에 제공된다. 이 방법은, 도 3과 관련하여 위에서 설명한 바와 같이, 주어진 셀 유형 및/또는 적용분야(예를 들어, 전기 차량 전력 공급 장치)에 대한 시간-전류 곡선을 획득 또는 결정하는 단계를 포함한다. 와이어 유형, 재료, 직경, 길이, 및 코팅 특성, 등과 같은 와이어 속성들이, 목적하는 시간-전류 곡선 내로 와이어의 저항을 좁히거나 한정하도록 선택된다. 예를 들어, 직경과 관련하여, 와이어 본드의 직경이 증가하면, 와이어 본드는, 길이는 같지만 직경이 작은 와이어보다, 더 오래 원상태로 유지될 것이다. 길이와 관련하여, 와이어 본드가 길수록, 와이어 본드는, 직경은 같지만 더 짧은 와이어보다, 더 빨리 개방될 수 있을 것이다. 재료 측면들에 있어서, 알루미늄, 구리, 금, 및 기타 전기전도성 재료는, 다양한 와이어 본드 파라미터들을 충족하는 데 활용할 수 있는 다양한 밀도 및 전기적 특성들, 및 용융점을 갖는다. 변곡점들의 사용은, 개방 회로의 위치를 정확히 찾아내어, 변곡점이 없는 동일한 특성의 와이어에 비해, 와이어 본드가 더 빨리 개방되도록 하기 위해 채용될 수 있다. 게다가, 코팅의 사용은, 와이어 본드가 개방되는 시간 기간을 연장하여 느린 블로우 시나리오를 더 많이 형성하기 위해 채용될 수 있다. 폴리이미드, 자석 와이어, 또는 증착과 같은 다양한 코팅을 사용하여 필요한 시간의 길이를 변화시킬 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 목적하는 사용 중 작동(desired in-use operation)을 달성하고, 셀 어셈블리에 대한 부정적인 영향을 방지하기 위해 필요할 때 회로의 개방을 보장하도록, 와이어 본드의 이러한 및 다른 특성들 및/또는 특징들이 구성될 수 있다.
와이어 속성들이 선택되면, 선택된 속성들에 기초하여 와이어들이 형성된다. 그 다음, 각각의 와이어를 전도체 또는 셀 단자에 부착하거나 본딩한다. 그 다음, 배터리 팩 또는 셀 어셈블리가 직렬 또는 병렬 구성인지에 따라, 셀 단자(도 1a 내지 도 1c)에, 또는 별도의 셀 단자(도 2a 및 도 2b)에 연결하기 위해 와이어가 사용될 수 있다. 예를 들어, 와이어 본더(wire bonder)를 사용하여 와이어를 부착할 수 있다. 와이어 본더는, 다양한 용도에 맞게 다양한 형상 및 크기로 와이어 본드를 생성할 수 있다. 자석 와이어와 같은, 코팅된 와이어를 본딩하는 것은, 전형적인 V-홈 도구(V-groove tool) 대신 교차 홈 와이어 본딩 도구(cross-groove wire bonding tool)를 사용하여 수행될 수 있다.
앞에서 도시된 구현예들은 개별 셀들을 다른 셀들에 연결하는 단일 와이어 본드를 각각 사용하지만(직접 또는 전도체를 통해), 그러한 단일 와이어 본드 구성으로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 앞에서 언급된 바와 같이, 본 개시의 범위를 벗어나지 않은 채, 다수의 와이어 본드들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 이제 도 4를 참조하면, 그 안에 배열된 복수의 셀들(402)을 갖는 셀 어셈블리(400)가 예시적으로 도시되어 있다. 셀 어셈블리(400)는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 구성과 유사하고, 셀들(402)이 와이어 본드들의 쌍들(406)을 통해 전도체(404)에 전기적으로 연결된 병렬 구성을 갖는다(단일 와이어 본드들과 대비됨). 와이어 본드들(406)은 단일 와이어 본드 구성과 유사할 수 있으며, 이때, 그러한 와이어 본드들(406)은 도 3에 도시된 바와 같은 와이어 본드 영역을 고려하여 설계될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 셀들(402)은, 본 명세서에 예시된 다른 구현예들의 원통형 형상과 대비하여, 정사각형 형상을 가질 수 있다. 그러한 이중 와이어 구성에서, 전류가 균등하게 공유되고 그에 따라 셀(402)과 전도체(404) 사이의 연결의 개방/단절이 실질적으로 동시에 발생하도록, 그 쌍의 다른 와이어와 유사한 각각의 개별 와이어를 갖는 것이 유리하다.
인식되는 바와 같이, 본 명세서에 기술된 다양한 구성요소들은, 예를 들어 다음을 포함하는, 임의의 다양한 재료들로부터 만들어질 수 있다: 금속, 구리, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 니켈, 티타늄, 플라스틱, 플라스틱 수지, 나일론, 복합재료, 유리, 및/또는 세라믹, 및 이들의 조합, 또는 바람직할 수 있는 임의의 다른 재료들. 본 명세서에 기술된 조성물, 방법, 및 물품은, 본 명세서에 개시된 임의의 적합한 재료, 단계 또는 구성요소를 대안적으로 포함하거나, 그들로 이루어지거나, 또는 그들로 본질적으로 이루어질 수 있다. 본 조성물, 방법, 및 물품은, 부가적으로 또는 대안적으로, 본 조성물, 방법, 및 물품의 기능 또는 목적을 달성하는 데 달리 필요하지 않은 임의의 재료(또는, 종), 단계, 또는 구성요소를 결여하도록, 또는 실질적으로 결여하도록, 제형화될 수 있다.
"조합"은 블렌드, 혼합물, 알로이, 반응 생성물, 등을 포함한다. "제1", "제2", 등의 용어는 순서, 수량 또는 중요도를 나타내지 않으며, 한 요소를 다른 요소와 구별하는 데 사용된다. 단수 용어는 양의 제한을 나타내지 않으며, 본 명세서에서 달리 나타내거나 문맥에 의해 명백히 모순되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "또는"은 달리 명시되지 않는 한 "및/또는"을 의미한다. 본 명세서 전반에 걸쳐 "일부 양태", "일 양태" 등에 대한 언급은, 양태와 관련하여 설명된 특정 요소가 본 명세서에서 설명된 적어도 하나의 양태에 포함되되, 다른 양태에 존재할 수 있거나 존재하지 않을 수 있음을 의미한다. 또한, 설명된 요소들이 다양한 양태들에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있음을 이해해야 한다. "이들의 조합"은 개방적이며, 선택적으로는(optionally) 열거되지 않은 유사하거나 균등한 구성요소 또는 특성과 함께, 나열된 구성요소들 또는 특성들 중 적어도 하나를 포함하는 임의의 조합을 포함한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술 및 과학 용어는 본 출원이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 인용된 모든 특허, 특허출원 및 기타 참고문헌은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 통합된다. 그러나, 본 출원의 용어가, 통합된 참고문헌의 용어와 모순되거나 상충하는 경우, 본 출원의 용어가, 통합된 참고문헌의 충돌하는 용어보다 우선한다.
특정 양태들이 기술되었지만, 현재 예측하지 못하거나 예측할 수 없는 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적인 균등물이 출원인 또는 통상의 기술자에게 발생할 수 있다. 따라서, 첨부된 특허청구범위 및 보정될 수 있는 특허청구범위는 이러한 모든 대안, 수정, 변형, 개선, 및 실질적 균등물을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (16)

  1. 셀 어셈블리를 조립하는 방법으로서, 다음 단계들을 포함하는 방법:
    셀 하우징 내에 복수의 셀들을 설치하는 단계; 및
    적어도 하나의 와이어 본드(wire bond)를 통해 각각의 셀을 각각 다른 셀에 전기적으로 연결하는 단계로서, 각각의 상기 와이어 본드는, 정상 작동 동안 각각의 셀로부터 전류를 전도하도록, 그리고 미리 결정된 전류가 미리 결정된 시간 기간 동안 문턱치를 초과할 때 상기 와이어 본드를 통한 그러한 전기적 연결을 단절(sever)하도록, 선택되는, 단계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 셀들은 전기적으로 직렬로 연결되는, 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 하나의 셀의 와이어 본드는 상기 셀의 양의 단자로부터 인접 셀의 음의 단자까지 연결하는, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 셀들은 전기적으로 병렬로 연결되는, 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 각각의 와이어 본드는 상기 복수의 셀들을 전기적으로 연결하는 전도체에 연결되는, 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 와이어 본드가 상기 문턱치 및 상기 미리 결정된 시간 기간에 기초하여 단절되도록, 상기 와이어 본드의 와이어 길이, 와이어 직경, 와이어 코팅, 및 와이어 재료 중 적어도 하나를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 와이어 본드의 상기 선택은, 최소 시간-전류 곡선과 최대 시간-전류 곡선 사이에 정의되는 I2t 플롯의 와이어 본드 영역 내에 속하도록 결정되고, 상기 와이어 본드의 상기 단절은, 하나 이상의 미리 결정된 전류들, 및 그러한 미리 결정된 전류들의 지속시간에서 발생하는, 방법.
  8. 다음을 포함하는 셀 어셈블리:
    하우징 내에 배열된 복수의 셀들; 및
    상기 복수의 셀들 중 각각의 셀을 상기 복수의 셀들 중 다른 셀에 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 와이어 본드로서, 각각의 와이어 본드는, 정상 작동 동안 각각의 셀로부터의 전류를 전도하도록, 그리고 미리 결정된 전류가 미리 결정된 시간 기간 동안 문턱치를 초과할 때 상기 와이어 본드를 통한 그러한 전기적 연결을 단절하도록, 선택된, 적어도 하나의 와이어 본드.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 셀들은 전기적으로 직렬로 연결된, 셀 어셈블리.
  10. 제 9 항에 있어서, 하나의 셀의 와이어 본드는 상기 셀의 양의 단자로부터 인접한 셀의 음의 단자까지 연결하는, 셀 어셈블리.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 셀들은 전기적으로 병렬로 연결되는, 셀 어셈블리.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 셀 어셈블리는 전도체를 더 포함하고, 각각의 와이어 본드는 상기 복수의 셀들을 전기적으로 연결하는 상기 전도체에 연결된, 셀 어셈블리.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 전도체와 상기 하우징 사이에 배열되고 상기 전도체를 상기 하우징에 고정하도록 구성된 접착제 층을 더 포함하는 셀 어셈블리.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 전도체와 상기 하우징 사이에 배열되고 상기 전도체에 안정성을 제공하도록 구성된 강화층(stiffening layer)을 더 포함하는 셀 어셈블리.
  15. 제 8 항에 있어서, 외부 전기 장치와 전기적으로 연결되도록 구성된 셀 어셈블리 양의 단자 및 셀 어셈블리 음의 단자를 더 포함하는 셀 어셈블리.
  16. 제 8 항에 있어서, 각각의 셀의 상기 적어도 하나의 와이어 본드는 상기 각각의 셀의 양의 단자에 연결되고, 상기 셀 어셈블리는 상기 각각의 셀의 음의 단자에 부착하도록 구성된 적어도 하나의 추가 와이어 본드를 더 포함하는, 셀 어셈블리.
KR1020237031922A 2021-02-18 2022-02-15 전기화학 셀을 위한 와이어 본드 퓨즈 한정-선택 KR20230148204A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163150801P 2021-02-18 2021-02-18
US63/150,801 2021-02-18
PCT/US2022/016391 WO2022177873A1 (en) 2021-02-18 2022-02-15 Wire bond fuse down-select for electrochemical cells

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230148204A true KR20230148204A (ko) 2023-10-24

Family

ID=82931113

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237031922A KR20230148204A (ko) 2021-02-18 2022-02-15 전기화학 셀을 위한 와이어 본드 퓨즈 한정-선택

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20240145885A1 (ko)
EP (1) EP4295439A1 (ko)
JP (1) JP2024508366A (ko)
KR (1) KR20230148204A (ko)
CN (1) CN116897466A (ko)
AU (1) AU2022222672A1 (ko)
CA (1) CA3209144A1 (ko)
IL (1) IL304925A (ko)
WO (1) WO2022177873A1 (ko)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8049460B2 (en) * 2007-07-18 2011-11-01 Tesla Motors, Inc. Voltage dividing vehicle heater system and method
US8888536B2 (en) * 2012-06-10 2014-11-18 Apple Inc. Low profile hard-disk drive connector
WO2017132575A1 (en) * 2016-01-29 2017-08-03 Faraday&Future Inc. Battery cells and packs for vehicle energy-storage systems
TWI721188B (zh) * 2016-07-06 2021-03-11 日商藤森工業股份有限公司 電池外裝體、電池組及電池裝置
US10910608B2 (en) * 2018-03-23 2021-02-02 Chongqing Jinkang New Energy Vehicle Co., Ltd. Electric vehicle battery cell

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022177873A1 (en) 2022-08-25
EP4295439A1 (en) 2023-12-27
IL304925A (en) 2023-10-01
CA3209144A1 (en) 2022-08-25
CN116897466A (zh) 2023-10-17
AU2022222672A1 (en) 2023-10-05
US20240145885A1 (en) 2024-05-02
JP2024508366A (ja) 2024-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2416405B1 (en) Battery pack with cell-level fusing and method of using same
EP2180538B1 (en) Protective circuit module and rechargeable battery including the same
US9640789B2 (en) Connecting element for secondary battery and secondary battery comprising the same
US10319494B2 (en) Multi-functional busbar with interstitial passages
US8133608B2 (en) Battery pack with cell-level fusing
JP5952674B2 (ja) 保護素子及びバッテリパック
JP2013201064A (ja) 保護素子
TW201517105A (zh) 保護元件
TW201405618A (zh) 保護元件
CN109496343B (zh) 保护元件、电路模块及保护元件的制造方法
JP6292802B2 (ja) バッテリ回路、保護回路
EP1059687B1 (en) Automatic circuit breaker for a battery
KR20230148204A (ko) 전기화학 셀을 위한 와이어 본드 퓨즈 한정-선택
JP7443144B2 (ja) 保護素子及びバッテリパック
JP7390825B2 (ja) 保護素子、バッテリパック
TW201528305A (zh) 保護元件
CN115803837A (zh) 二次电池用保护元件及包括其的电池包
KR20150121089A (ko) 보호 소자 및 전자 기기
KR102370481B1 (ko) 설치 방향에 무관한 에너지 저장 시스템의 폭발 방지 장치
JPH1154005A (ja) 電流・温度複合ヒューズ、及びこれを用いた二次電池用保護素子
TW202118132A (zh) 保護元件、電池組
JP2014127270A (ja) 保護素子