KR20240072248A - 배터리 시스템의 전기적 부품 보호 - Google Patents

배터리 시스템의 전기적 부품 보호 Download PDF

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KR20240072248A
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크리스토퍼 스토우
리신 왕
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아스펜 에어로겔, 인코포레이티드
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Abstract

본 개시는 에너지 저장 시스템의 열 폭주 문제를 관리하기 위한 재료 및 시스템에 관한 것이다. 예시적인 구현예에는 열, 기체, 및/또는 미립자 물질에서 보호되는 절연 전기적 연결 요소가 포함된다.

Description

배터리 시스템의 전기적 부품 보호
우선권 주장
본 출원은 그 전체가 본원에 참조로 포함되는 2022년 5월 4일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 제63/338,331호에 따른 우선권의 이익을 주장한다.
기술분야
본 개시는 일반적으로 전기적 연결 부품을 보호하기 위한 재료, 시스템, 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 에어로겔 재료로 전기적 연결 부품(예를 들어, 버스바(busbar))를 봉지[encapsulation]하기 위한 재료, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 개시는 또한 봉지된 전기적 연결 부품을 포함하는 하나 이상의 배터리 셀을 갖는 배터리 모듈 또는 배터리 팩, 뿐만 아니라 이러한 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 포함하는 시스템에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리와 같은 충전식 전지는 전력 구동 및 에너지 저장 시스템에서 폭넓게 적용되어 왔다. 리튬 이온 배터리(Lithiumion battery, LIB)는 기존 배터리에 비해 작동 전압이 높고, 메모리 효과가 낮으며, 에너지 밀도가 높기 때문에, 휴대폰, 태블릿, 노트북, 전동 공구와 같은 휴대용 전자 장치 및 전기 자동차와 같은 기타 고전류 장치에 전원을 공급하는 데 널리 사용된다. 그러나, LIB는 충전식 전지가 과충전(설계 전압 이상으로 충전), 과방전, 고온·고압에서 작동 또는 노출되는 것과 같은 '오용 조건[abuse condition]’에서 치명적인 고장을 일으키기 쉽기 때문에 안전성이 우려된다. 결과적으로, LIB는 설계 범위를 벗어나는 조건에 있을 때 급속한 자체 가열 또는 열 폭주 현상으로 인해 고장날 수 있기 때문에, 좁은 작동 온도 범위와 충방전 속도는 LIB 사용에 대한 제한 사항이다.
내부 반응 속도가, 회수될 수 있는 것보다 더 많은 열이 발생되는 지점까지 증가할 때 열 폭주가 일어날 수 있고, 이는 반응 속도와 열 발생 모두 추가로 증가시킨다. 열 폭주 중에, 고온은 배터리에서 일련의 발열 반응을 유발하여, 배터리 온도를 빠르게 증가시킨다. 많은 경우, 하나의 배터리 셀에서 열 폭주가 일어나면, 발생된 열은 열 폭주가 일어나는 셀에 근접한 셀을 빠르게 가열한다. 열 폭주 반응에 추가된 각 셀에는 반응을 지속하기 위한 추가 에너지가 함유되어 있어, 배터리 팩 내에서 열 폭주 전파를 유발하여, 결국 화재나 폭발로 인한 재앙으로 이어진다. 신속한 열 방출과 열 전달 경로의 효과적인 차단은 열 폭주 전파로 인한 위험을 줄이는 효과적인 대책이 될 수 있다.
배터리 열 폭주를 초래하는 메커니즘에 대한 이해를 바탕으로, 배터리 부품의 합리적인 설계를 통해 안전 위험을 감소시키려는 목적으로, 많은 접근 방식이 연구되고 있다.
일반적인 배터리 시스템은 각각 복수의 배터리 셀을 포함하는 하나 이상의 배터리 모듈을 포함한다. 배터리 셀의 서브세트는 전기적으로 병렬로 연결되고, 서브세트는 일련의 집전체(또는 버스바)에 의해 전기적으로 직렬로 연결된다. 예를 들어, 단자 집전체 또는 버스바는 DC 버스를 정의하는 전위차를 나타낸다. 스위칭 부품, 퓨즈 부품, 배터리 모듈의 전체 전압을 전달하는 버스바, 임의의 다른 적합한 전력 전자 장치, 임의의 다른 적합한 부품, 또는 이들의 임의의 조합이 배터리 모듈(들)상에 또는 근처에 배열될 수 있다. 버스바는 일반적으로 부품들 사이에 적절한 전기적 연결을 만들기 위해 배터리 시스템의 일측(예를 들어, 전면, 후면, 상면, 하면, 또는 임의의 측면)에 배열된다. 버스바는 배터리 모듈의 일부 위로 연장되는 경향이 있으므로, 하나 이상의 배터리 셀(예를 들어, 배터리 셀의 벤팅 단부) 위에 배열될 수 있다. 배터리 셀에 열이 발생하면, 버스바와 같은 인접 구조물이 손상될 수 있다. 따라서, 열, 기체, 및/또는 미립자 물질에서 보호하는 것이 바람직할 수 있다.
도 1은 일부 예시적인 구현예에 따른 배터리 시스템의 평면도를 도시한다.
도 2는 일부 예시적인 구현예에 따른 버스바를 도시한다.
도 3은 일부 예시적인 구현예에 따른 버스바의 단면을 도시한다.
도 4는 일부 예시적인 구현예에 따른 배터리 시스템의 등각도를 도시한다.
도 5는 일부 예시적인 구현예에 따른 버스바 조립체를 도시한다.
도 6은 일부 예시적인 구현예에 따른 버스바 조립체의 단면을 도시한다.
도 7은 일부 예시적인 구현예에 따른 또 다른 버스바 조립체를 도시한다.
도 8은 일부 예시적인 구현예에 따른 또 다른 버스바 조립체를 도시한다.
도 9는 일부 예시적인 구현예에 따른 배터리 시스템을 도시한다.
도 10은 일부 예시적인 구현예에 따른 또 다른 배터리 시스템을 도시한다.
도 11은 일부 예시적인 구현예에 따른 또 다른 배터리 시스템을 도시한다.
도 12는 일부 예시적인 구현예에 따른 또 다른 배터리 시스템을 도시한다.
도 13은 일부 예시적인 구현예에 따른 또 다른 배터리 시스템을 도시한다.
도 14는 일부 예시적인 구현예에 따른 또 다른 배터리 시스템을 도시한다.
도 15는 일부 예시적인 구현예에 따른 또 다른 배터리 시스템을 도시한다.
바람직한 구현예에 대한 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서, 그 일부를 형성하고, 본 개시가 실시될 수 있는 특정 구현예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 구현예가 활용될 수 있고 구조적 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 개시는 에너지 저장 시스템 내 전기적 연결 시스템의 보호에 관한 것이다. 예시적인 구현예에는 에어로겔 재료를 사용하여 전기 저장 시스템 내 버스바를 보호하는 것이 포함된다.
도 1은 하우징(104), 배터리 모듈(108A, 108B, 108C)(총칭 108), 및 하나 이상의 버스바(112)를 포함하는 전형적인 전기 에너지 저장 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 전술한 바와 같이, 에너지 저장 시스템(100)은 전기 자동차 또는 다른 전기적 구동 시스템에서 사용하기 위해 전력을 저장하고 방출할 수 있다.
전기 에너지 저장 시스템(100)에서, 배터리 모듈(108)은 하우징(104) 내부에 배치된다. 배터리 모듈(108)은 함께 전기적으로 결합될 수 있는 복수의 개별 셀(116)을 포함할 수 있다. 일 예에서, 셀(116)은 리튬 이온 셀을 포함하지만, 본 개시는 이에 제한되지 않는다. 시스템(100)의 하나 이상의 버스바(112)는 하나 이상의 배터리 모듈(108)을 전기적으로 연결한다. 일부 구현예에서, 버스바(112)는 서로 다른 배터리 모듈 또는 배터리 셀의 단자를 연결하는 긴 전기 전도성 커넥터일 수 있다.
도 2는 도체(204) 및 플러그(208A, 208B)(총칭 208)를 포함하는 버스바(200)의 일 구현예의 상세도를 예시한다. 도체(204)는 하나 이상의 배터리 모듈 및/또는 배터리 셀에 걸쳐 해당 단자를 함께 연결하도록 구성된 전기 전도성의 긴 구조일 수 있다. 도 2에 예시된 버스바(200)에서, 도체(204)는 금속 막대이다. 버스바(200)의 다른 예시는 무엇보다도 금속 와이어, 구조적 지지체상의 전도성 트레이스와 같은 도체(204)의 다른 구성을 가질 수 있다. 그 구성에 관계없이, 도체(204)는 버스바(200)의 전기 전도성 섹션으로 작용한다. 일부 예에서, 버스바(200)의 도체(204)는 구리, 알루미늄, 또는 금속 합금 등과 같은 전도성 금속으로 구성될 수 있다.
버스바(200)는 또한 도체(204)에 연결된 플러그(208A, 208B)를 포함한다. 플러그(208A, 208B)는 버스바(200)를 배터리 모듈 또는 배터리 셀(도 2에는 도시되지 않음)의 단자에 연결한다. 일 예에서, 플러그(208A, 208B)는 에너지 저장 시스템의 모듈 또는 셀의 해당 특징부와 결합하도록 구성된다. 플러그(208A, 208B)를 결합하는 대응하는 특징부의 일 예는 모듈 또는 셀의 슬롯을 포함한다. 버스바(200)에 적합한 재료의 예에는 구리, 알루미늄, 강철, 또는 이들의 합금 등과 같은 전기 전도성 금속 재료가 포함된다.
도 3은 도 2에 표시된 버스바(200)의 도체(204)의 단면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 도체(204)는 전도성 코어(304), 절연층(308), 및 봉지층(312)을 포함한다. 보호 장벽(314)으로 총칭되는 절연층(308) 및 봉지층(312)은 도체(204)에 대한 전기적, 열적, 및 기계적 보호 측면을 제공함으로써, 대응하는 전기적, 열적, 및/또는 기계적 응력/섭동에 응하여 버스바(200)의 전체 탄성 및 내구성을 향상시킨다. 전도성 코어(304)의 재료는 도 2에 도시된 도체(204)와 관련하여 이미 전술한 것과 대응한다.
도 2 및 도 3에 예시된 구현예와 같은 일부 구현예에서, 보호 장벽(314)은 전도성 코어(304)를 적어도 부분적으로 덮을 수 있다. 일부 구현예에서, 보호 장벽(314)은 전도성 코어(304)의 표면의 임의의 서브세트, 및/또는 길이, 폭의 일부 또는 전부를 덮을 수 있다.
일부 구현예에서, 보호 장벽(314)은 적어도 하나의 절연층(308) 및 적어도 하나의 봉지층(312)을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 절연층(308) 중 적어도 하나는 전도성 코어(304)와 (가장 바깥쪽) 봉지층(312) 사이에 배치된다. 본원에 기술한 개념에서 벗어나지 않고, 더 많은 수의 하나 이상의 절연층(308) 및/또는 봉지층(312)을 갖는 보호 장벽(314)의 다양한 구성이 가능하다는 것이 이해될 것이다. 또한, 본원에 기술한 개념에서 벗어나지 않고 보호 장벽(314)의 다른 구현예를 제조하기 위해 다양한 순서의 층을 사용할 수도 있다. 명시적으로 도시하지는 않았지만, 봉지층(314)은 전도성 코어(304)의 일부 또는 전부뿐만 아니라 플러그(208)(도 2에 도시됨)의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다.
일부 구현예에서, 보호 장벽(314)은 절연층(308) 및 절연층을 적어도 부분적으로 둘러싸는 봉지층(312) 내의 구성 요소로서 에어로겔 재료를 포함할 수 있다.
절연층(308)은 배터리 셀 또는 배터리 모듈을 분리하는 데 일반적으로 사용되고 단열, 전기 절연, 또는 둘 다를 제공하는 임의의 종류의 절연층을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 절연층(들)(308)은 중합체 기반 열 장벽(예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리이미드, 및 방향족 폴리아미드(아라미드)), 상 변화 재료, 팽창성 재료, 에어로겔 재료, 광물계 장벽(예를 들어, 운모), 및 무기 열 장벽(예를 들어, 유리 섬유 함유 장벽), 또는 이들의 조합 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 예시적인 절연층은 에어로겔 재료 또는 조성물과 같은 재료와 광물계 재료(예를 들어, 운모), 상 변화 재료, 또는 팽창성 재료와 같은 또 다른 재료의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 에어로겔 재료는 에어로겔 조성물 또는 구조 내에 다른 재료를 혼입할 수 있다. 또는, 에어로겔 재료를 다른 재료의 층, 예를 들어, 광물계 재료(예를 들어, 운모)의 층, 상 변화 재료의 층, 또는 팽창성 재료의 층에 인접한 에어로겔 조성물의 층에 인접하게 배치할 수 있다. 추가 예에서, 에어로겔 재료를 광물계 재료(예를 들어, 운모)층, 상 변화 재료층, 또는 팽창성 재료층 사이에 배치할 수 있다.
절연층(308)은 상기 절연층의 두께 치수를 통해 약 50 mW/mK 이하, 약 40 mW/mK 이하, 약 30 mW/mK 이하, 약 25 mW/mK 이하, 약 20 mW/mK 이하, 약 18 mW/mK 이하, 약 16 mW/mK 이하, 약 14 mW/mK 이하, 약 12 mW/mK 이하, 약 10 mW/mK 이하, 약 5 mW/mK 이하, 또는 대기압에서 25 ℃ 및 별도로 적용된 최대 약 5 MPa의 기계적 부하에서 이들 값 중 임의의 두 값 사이의 범위의 열 전도도를 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 절연층(308)은 강화 재료를 추가로 포함하는 에어로겔을 포함한다. 일부 구현예에서, 강화 재료는 유기 중합체 기반 섬유, 무기 섬유, 탄소 기반 섬유 또는 이들의 조합에서 선택된 섬유이다. 일부 구현예에서, 섬유는 이산 섬유, 직조 재료, 건식 부직포 재료, 습식 부직포 재료, 바느질된 부직포, 튼 솜[batting], 웹, 매트, 펠트, 및/또는 이들의 조합의 형태이다. 일부 구현예에서, 무기 섬유는 유리 섬유, 암석 섬유, 금속 섬유, 붕소 섬유, 세라믹 섬유, 현무암 섬유, 또는 이들의 조합에서 선택된다. 일부 구현예에서, 강화 재료는 실록산, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 페놀류, 멜라민, 셀룰로오스 아세테이트, 산화된 폴리아크릴로니트릴, 및 폴리스티렌에서 선택된 폼(foam)이다. 일부 구현예에서, 강화 재료는 중합체 재료에서 선택된다. 중합체 재료의 비제한적인 예는 수지, 고무, 아크릴(PMMA), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(acrylonitrile butadiene styrene, ABS), 나일론(폴리아미드(polyamide), PA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 열가소성 엘라스토머[thermoplastic elastomer, TPE], 열가소성 폴리우레탄[thermoplastic polyurethane, TPU]이다.
하나 이상의 구현예에서, 절연층(308)의 에어로겔은 실리카계 에어로겔 및/또는 알루미나-실리케이트 에어로겔을 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 절연층(308)의 에어로겔은 하나 이상의 첨가제를 포함하고, 첨가제는 에어로겔의 적어도 약 5 중량% 내지 40 중량% 수준, 바람직하게는 에어로겔의 적어도 약 5 중량% 내지 20 중량% 수준, 보다 바람직하게는 에어로겔의 적어도 약 10 중량% 내지 20 중량% 수준으로 존재한다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 첨가제는 화재 등급 첨가제를 포함한다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 첨가제는 B4C, 규조토, 망간 페라이트, MnO, NiO, SnO, Ag20, Bi2O3, TiC, WC, 카본 블랙, 산화 티타늄, 산화 철 티타늄, 규산 지르코늄, 산화 지르코늄, 산화철(I), 산화철(III), 이산화망간, 산화 철 티타늄(일메나이트), 산화크롬, 또는 이들의 혼합물에서 선택된 불투명화제를 포함한다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 첨가제는 탄화규소를 포함하는 불투명화제를 포함한다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 첨가제는 화재 등급 첨가제와 불투명화제의 조합을 포함한다. 하나 이상의 구현예에서, 에어로겔은 밀도가 약 0.25 g/cc 내지 약 1.0 g/cc 범위에 있다. 일부 구현예에서, 에어로겔은 굴곡 탄성률이 약 2 MPa 내지 약 8 MPa이다. 일부 구현예에서, 에어로겔은 영구 압축 줄음률[compression set]이 약 70 ℃에서 약 10% 내지 약 25% 범위에 있다. 일부 구현예에서, 에어로겔은 압축 저항을 나타내고, 25% 변형률에서의 압축 저항은 약 40 kPa 내지 약 180 kPa이다. 하나 이상의 구현예에서, 에어로겔은 단일체, 비드, 입자, 과립, 분말, 박막, 시트, 판, 곡면 판, 또는 이들의 조합의 형태이다.
일부 구현예에서, 보호 장벽(314)의 봉지층(312)은 버스바를 외부 환경에서 보호할 수 있는 재료로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 미립자 및 유체(예를 들어, 냉각 유체 및 배터리 전해질)는 전기 에너지 저장 시스템의 하우징 내에 존재할 수 있고, 봉지층(312)이 없으면, 절연층(308) 및/또는 전도성 코어(304)의 전기 및/또는 열 성능을 저하시킬 수 있다. 더욱이, 봉지층은 전기적으로 절연성인 것이 바람직하다. 이 기능은 버스바를 통한 전기 시스템의 단락을 방지하는 데 도움이 된다.
일부 구현예에서, 봉지층(312)은 폴리옥시메틸렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리아미드 이미드, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리에테르이미드, 폴리스티렌, 폴리설폰, 폴리이미드, 및 테레프탈레이트로 구성된 군에서 선택된 중합체로 제조될 수 있다.
봉지층(312) 및 절연층(308)은 결합하여 배터리 셀의 열 폭주와 연관된 온도 상승으로 인한 손상에서 버스바를 보호할 수 있지만, 봉지층(312) 및/또는 절연층(308)의 일부 예는 파열된 배터리 셀에서의 입자상 물질의 물리적 충돌에서 전도성 코어(304)를 보호하지 못할 수 있다. 입자 충돌로 인한 기계적 손상을 견디는 봉지층(312)의 능력을 향상시키기 위해, 봉지층(312)은 강화된 중합체 재료로 구성될 수 있다. 일부 예에서, 강화된 중합체 재료는 향상된 기계적 특성, 열적 특성, 및 내마모성을 부여하는 것으로 알려진 제2 상으로 충전된 중합체층을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 강화 제2 상은 세라믹 재료의 입자(예를 들어, 실리카 나노/미립자, 실리케이트/점토 나노/미립자)이다. 다른 구현예에서, 강화 제2 상은 중합체 재료에 매립된 장벽층(미도시)이다. 장벽층은 고속으로 버스바에 부딪히는 미립자 물질로 인한 손상을 방지하는 견고한 재료로 만들 수 있다. 장벽층에 사용될 수 있는 예시적인 재료는 금속 포일, 운모, 미세 다공성 실리카, 세라믹 섬유, 미네랄 울, 금속, 탄소, 전도성 중합체, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
버스바 외에도, 절연층(308)과 봉지층(312)의 조합은 또한 전기 장치 및 배선, 냉각수 튜브, 배터리 셀 또는 팩 단자, 온도 센서, 커넥터, 및/또는 열 폭주 중에 취약한 기타 구성 요소와 같은 배터리 팩의 기타 구성 요소를 보호하는 데에도 사용할 수 있다.
도 4는 전기 에너지 저장 시스템(400)의 구현예를 도시한다. 이 구현예에서, 전기 에너지 저장 시스템(400)은 복수의 배터리 셀(404)을 포함한다. 각각의 배터리 셀(404)은 두 개의 단자(408)(양극 단자 및 음극 단자)를 갖는다. 구현예에서, 배터리 셀(404)은 직렬로 연결되고, 인접한 배터리 셀(404)의 양극 단자 또는 음극 단자(408)는 버스바(412)와 서로 결합된다. 도 4에 예시된 버스바(412)의 구현예는 도 1, 2, 및 3과 관련하여 전술한 특징들, 또는 본원의 다른 곳에서 기술된 임의의 특징들의 임의의 조합 및/또는 조합들의 서브세트를 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 구현예를 포함하는 일부 구현예에서, 전기 에너지 저장 시스템(400)은 버스바 보호 조립체(416)를 추가로 포함할 수 있다. 버스바 보호 조립체(416)는 하나 이상의 버스바를 에워싸는 데 사용할 수 있다. 일부 구현예에서, 그 중 하나가 도 6에 예시되어 있고, 버스바 보호 조립체(416)는 하우징(604)의 내면(609)에 의해 정해진 내부 공간(606)을 갖는 하우징(604)을 포함한다. 버스바 보호 조립체(416)는 또한 절연층(608)을 포함할 수 있다.
버스바 보호 조립체(416)의 하우징(604)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 하우징(609)이 하나 이상의 버스바(412) 위에 위치할 수 있도록 구성되고 치수가 지정된다. 버스바(412) 위에 위치하는 경우, 버스바(412)는 실질적으로 하우징(604)에 의해 에워싸인다.
일 구현예에서, 절연층(608)은 에어로겔 재료를 포함할 수 있다. 절연층(608)은 도 6에 도시된 바와 같이 하우징(609)의 내면의 일부 또는 전부와 일치할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 절연층(608)은 하나 이상의 버스바(412)와 하우징(604)의 내면(609) 사이에 위치한다. 일 구현예에서, 절연층(608)은 하우징(604)의 내면(609)의 적어도 일부를 덮는다.
일부 구현예에서, 절연층(608)은 탄성 재료 단독으로 또는 에어로겔 재료와 조합하여 제조할 수 있다. 탄성 절연층(608)은 단자(408)에 의해 압축되어 절연층이 단자(408)의 형상에 일치하도록 할 수 있다. 따라서 일부 구현예에서, 절연층(608)은 절연층(608)을 압축하는 경우 단자(408)가 하우징(604)의 내부 공간(606) 내에 끼워질 수 있게 하는 두께를 갖는다. 대안적인 구현예에서, 절연층(608)은 절연층(608)을 압축하지 않고 배터리 셀 단자(408)가 하우징(604)의 내부 공간(606) 내에 끼워질 수 있게 하는 두께를 갖는다.
버스바 보호 조립체는 조립체가 단일 버스바 또는 다수의 버스바를 덮을 수 있도록 구성할 수 있다(그러한 형상 및 크기를 가질 수 있다). 일부 구현예에서, 버스바 보호 조립체는 배터리 모듈 또는 배터리 팩 표면의 전체 버스바를 덮는다.
일부 구현예에서, 버스바 보호 조립체는 버스바가 위치하는 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 전체 표면(예를 들어, 버스바가 설치된 상면)을 덮는다. 버스바 보호 조립체가 모듈/팩의 전체 표면을 덮는 경우, 버스바 보호 조립체는 내열, 내화, 및 전기 절연 기능 외에도 모듈/팩에 잠재적인 기계적 충격에 대한 쿠션을 제공한다. 이 구현예에서, 버스바 보호 조립체는 덮을 배터리 모듈/팩의 표면보다 약간 크므로, 버스바가 있는 모듈/팩의 표면은, 버스바 보호 조립체가 배터리 모듈/팩의 일부를 둘러싸는 방식으로 버스바 보호 조립체 안으로 연장된다. 에어로겔 라이닝(lining)은 모듈/팩에 추가 쿠션을 제공한다.
일부 구현예에서, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 버스바(700 및 800)는 각각 적층 구조를 가질 수 있다. 도 7에 도시된 버스바(700)의 구현예에서, 적층형 버스바(700)는 하나 이상의 절연층(704A, 704B) 및 하나 이상의 전기 전도층(708)을 포함한다. 하나 이상의 절연층은 바람직하게는 에어로겔 재료를 포함한다.
전기 전도층은 적층 구조 외부로 연장되고 버스바를 인접한 배터리 셀 또는 배터리 모듈의 단자에 연결하는 연결 영역 역할을 하는 두 개 이상의 접점(712A, 712B)(집합적으로 712)을 포함한다.
도 7에 도시된 구현예에서, 절연층은 절연층 사이에 개재된 하나 이상의 전기 전도층을 갖는 적층 구조의 외부층으로서 배치한다.
도 8에 도시된 구현예에서, 적층형 버스바(800)는 적층형 버스바(800)(절연층(804A, 804B), 전도층(808))과 관련하여 전술한 요소를 포함하고 또한 장벽층(816)을 포함할 수도 있다. 도시된 바와 같이 장벽층은 적층 구조 아래에 위치하고, 배터리 셀에서 배출되는 입자상 물질로 인한 손상에서 전기 전도층을 보호한다. 적층 구조의 ‘하부’ 측에만 있는 것으로 도시되어 있지만, 장벽층은 적층 구조의 ‘상부’ 측(배터리 셀 또는 배터리 모듈의 반대쪽) 또는 적층 구조의 양측에 있을 수 있음을 이해해야 한다.
도 9에 도시된 구현예에서, 버스바 시스템(900)은 인접한 배터리 셀(902) 또는 배터리 모듈의 단자를 연결하는 하나 이상의 버스바(912)를 포함한다. 제1 절연층(904A)은 배터리 셀(902) 또는 배터리 모듈의 적어도 일부 위에 배치된다. 제1 절연층(904A)은 복수의 개구를 포함한다. 제1 절연층의 개구는, 배터리의 단자(908)가 제1 절연층(904A)을 통해 연장되고 하나 이상의 버스바(912)와 접촉하도록 배터리(902)의 단자(908)와 실질적으로 정렬된다. 이 구현예에서, 제1 절연층(904A)은 시판 중인 버스바를 변형할 필요 없이 열 폭주 이벤트로 인해 발생하는 열에서 버스바(912)를 보호한다.
버스바를 추가로 보호하기 위해, 제2 절연층(904B)은 하나 이상의 버스바(912) 위에 위치할 수 있다. 제1 절연층(904A)은 제2 절연층(904B)에 연결될 수 있어, 하나 이상의 버스바(912)가 제1 절연층(904A) 및 제2 절연층(904B)에 의해 실질적으로 둘러싸이게 된다. 구현예에서, 하나 이상의 버스바(912)는 제2 절연층(904B)과 접촉하여 압축함으로써 압축된 제2 절연층(904B)이 하나 이상의 버스바(912)를 실질적으로 둘러싸게 된다.
구현예에서, 제1 절연층(904A) 및/또는 제2 절연층(904B)은 배터리 셀 또는 배터리 모듈에 존재하는 하나 이상의 벤트와 정렬된 하나 이상의 추가 개구를 포함한다. 벤트와 정렬된 개구는 일반적으로 버스바(912) 바로 아래 또는 근처에 있지 않은 벤트 위에 정렬된다. 하나 이상의 버스바(912) 아래에 위치한 벤트의 경우, 절연층이 벤트와 버스바 사이에 위치하도록, 벤트를 덮는 절연층의 일부를 갖는 것이 바람직하다.
구현예에서, 제1 절연층(904A)은 냉각 소자에 결합된 열 전도성 소자를 포함한다. 구현예에서, 열 전도성 소자는 제1 절연층(904A)과 배터리 셀(902) 사이에 배치된다. 구현예에서, 열 전도성 소자는 제1 절연층과 제2 절연층 사이에 배치된다. 구현예에서, 열 전도성 소자는 버스바와 직접 접촉한다.
도 10에 도시된 구현예에서, U자형 버스바(1012)는 배터리 셀(1002) 또는 배터리 모듈을 전기적으로 연결하도록 구성된다. U자형 버스바(1012)는 제1 전도성 U자형 섹션(1012A); 제2 전도성 U자형 섹션(1012B); 및 인접한 배터리 셀(1002)에서 전극 탭(1008)을 수용하기 위한 두 개의 채널(1013)을 포함한다. 조립 중에, 제2 전도성 U자형 섹션(1012B)은 제1 전도성 U자형 섹션(1012A)에 끼워져 전극 탭(1008)을 두 개의 채널(1013)에 고정한다. 단열재(1004)는 제1 및/또는 제2 U자형 섹션(1012A, 1012B)과 접촉한다. 단열재는 U자형 버스바를 보호하는 데 도움이 된다.
구현예에서, 단열재(1004)는 U자형 버스바(1012) 위에 위치한다. 단열재는 제1 U자형 버스바(1012A)에 의해 정해진 내부 공간 내에 배치된 제1 단열재(1004A) 및 제2 U자형 버스바(1012B)의 외면과 접촉하는 제2 단열재(1004B)를 포함할 수 있다. 제2 단열재(1004B)는 아래쪽으로 연장되어 인접한 배터리 셀 또는 배터리 모듈을 분리한다. 구현예에서, 제1 단열재(1004A)는 주름진 구조를 포함하고, 이러한 주름진 구조는 다수의 U자형 버스바에 위치한다. 본 구현예의 절연재는 본원에 기술된 바와 같이 절연층을 형성하는 데 사용된 것과 동일한 재료로 제조된다.
대안적인 구현예가 도 11에 도시되어 있다. 이 구현예에서, 버스바(1112) 내부에 위치하는 절연재(1104)는 버스바(1112) 밖으로 연장되어 인접한 배터리 셀(1102) 사이의 분리 재료로서 작용한다.
도 12에 도시된 구현예에서, 배터리 모듈(1200)은 하우징(1202) 및 하우징 덮개(1204)를 포함하여 두 개 이상의 배터리 셀(1210)을 에워싼다. 두 개 이상의 배터리 셀(1210)은 버스바(1212)에 의해 전자적으로 연결된다. 버스바는 실질적으로 제1 절연층(1206) 및 제2 절연층(1208)으로 둘러싸여 있다. 배터리 모듈은 제2 절연층(1208)에 인접한 상부 커버(1220)를 추가로 포함한다. 상부 커버(1220)는 예를 들어 열 폭주 동안 배터리 셀(1210)에서 방출된 미립자 물질로 인한 손상에서 하우징 덮개(1204)를 보호하여, 하우징(1202) 및 덮개(1204) 내에 열 폭주를 가둔다. 비제한적인 구현예에서, 상부 커버(1220)는 제2 절연층(1208)과 하우징 덮개(1204) 사이에 위치한다. 일부 구현예에서, 상부 커버(1220)는 균일한 조성물을 갖는 하나의 층을 포함한다. 일부 구현예에서, 상부 커버(1220)는 에어로겔 조성물을 포함한다.
도 13에 도시된 구현예에서, 배터리 모듈(1300)은 하우징(1302) 및 하우징 덮개(1304)를 포함하여 두 개 이상의 배터리 셀(1310)을 에워싼다. 상부 커버(1320)는 도 7 내지 도 11과 관련하여 기술된 바와 같은 절연층(1322) 및 절연층(1322)보다 더 높은 강성을 갖는 강성층(1324)을 포함한다. 일부 구현예에서, 절연층(1322)은 하우징 덮개(1304)를 통한 열 전달을 방지한다. 예를 들어, 절연층(1322)은 하우징 덮개(1304) 및 배터리 모듈(1300) 위에 있을 수 있는 부품(예를 들어, 자동차 섀시)으로의 열 전달을 방지한다. 또 다른 예에서, 절연층(1322)은 추운 날씨 동안 배터리 모듈(1300)에서 주위로의 열 손실을 방지한다. 비제한적인 구현예에서, 강성층(1324)은 열 폭주 동안 배터리 셀(1310)에서 방출될 수 있는 미립자 물질에서 절연층(1322)을 보호하기 위해 절연층(1322)과 배터리 셀(1310) 사이에 배치된다.
도 14에 도시된 대안적인 구현예에서, 배터리 모듈(1400)은 하우징(1402) 및 하우징 덮개(1404)를 포함하여 두 개 이상의 배터리 셀(1410)을 에워싼다. 상부 커버(1420)는 두 개의 강성층(1422, 1426)과 그 사이에 배치된 절연층(1424)을 포함한다. 절연층(1424)과 하우징 덮개(1404) 사이의 추가적인 강성층(1422)은 열 폭주 동안 배터리 셀(1410)에서 방출될 수 있는 임의의 미립자 물질에 대해 단일 강성층보다 더 나은 보호를 제공한다. 일부 구현예에서, 상부 커버(1420)는 두 개 이상의 절연층(1424) 및 강성층(1422, 1426)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 강성층(1422, 1426)은 도 8에 예시된 장벽층과 동일한 재료를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 하나 이상의 강성층(1422, 1426)은 에어로겔(예를 들어, 단일 에어로겔 판), 금속 포일, 운모, 미세 다공성 실리카, 세라믹 섬유, 섬유 유리, 미네랄 울, 금속, 탄소, 전도성 중합체, 아크릴레이트 중합체, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 스티렌, 비닐 PVC, 셀룰로오스 아세테이트, 나일론, 페놀류, 또는 이들의 조합에서 선택될 수 있다.
도 15에 도시된 구현예에서, 배터리 팩(1500)은, 제2 절연층(1508)이 하나보다 많은 배터리 모듈(1510) 위로 연장된다는 점을 제외하고는, 도 12에 기술된 모듈과 유사한 다수의 배터리 모듈(1510)을 포함한다. 대안적인 구현예(도시되지 않음)에서, 각각의 배터리 모듈(1510)은 별도의 제2 절연층(1508)을 갖는다. 배터리 팩(1500)은 또한 배터리 모듈(1510)을 전기적으로 연결하기 위해 제1 절연층(1506)과 제2 절연층(1508) 사이에 배치된 버스바(1512)를 포함할 수 있다. 배터리 팩(1500)은 또한 배터리 모듈(1510)을 측방향으로 전기적으로 연결하기 위해 제1 절연층(1506)과 제2 절연층(1508) 사이에 배치된 2차 버스바(1514)를 포함할 수 있다. 도 15의 구현예는 또한 도 12-14의 구현예와 관련하여 위에서 설명한 바와 같이 상부 커버(1520)를 포함할 수 있다. 상부 커버(1520)는 각각의 개별 배터리 모듈(1510)을 따로따로 덮을 수 있다. 또는, 상부 커버(1520)는 도 15에 도시된 바와 같이 하나보다 많은 배터리 모듈 위로 연장될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 절연층, 제2 절연층 및 상부 커버의 예는 하나 이상의 에어로겔 조성물층을 포함할 수 있다. 에어로겔 이외의 다른 절연재 또한 본 개시의 범위 내에 있다.
배터리 모듈 또는 팩 내 절연 장벽 사용
본원에 개시된 절연 전기 커넥터(예를 들어, 버스바)는 임의의 구성의 배터리 셀 또는 배터리 부품, 예를 들어 파우치 셀, 원통형 셀, 각형 셀뿐만 아니라 임의의 이러한 셀을 통합하거나 포함하는 팩 및 모듈을 전기적으로 연결하는 데 유용하다. 본원에 개시된 전기 커넥터는 충전식 전지, 예를 들어 리튬 이온 배터리, 고체 배터리, 및 임의의 기타 에너지 저장 장치 또는 기술에 유용하다.
냉각 시스템과 같은 수동 장치는 배터리 모듈 또는 배터리 팩 내에서 본 개시의 절연 커넥터와 함께 사용할 수 있다.
본 개시의 다양한 구현예에 따른 절연 전기 커넥터는 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩, 또는 복수의 배터리 셀을 갖는 배터리 모듈에 사용할 수 있다. 배터리 모듈은 단일 인클로저에 배치된 여러 개의 배터리 셀로 구성된다. 배터리 팩은 여러 개의 배터리 모듈로 구성된다.
배터리 모듈 및 배터리 팩은 장치 또는 차량에 전기 에너지를 공급하는 데 사용할 수 있다. 배터리 모듈 또는 배터리 팩을 사용하는 장치는 노트북 컴퓨터, PDA, 휴대폰, 태그 스캐너, 오디오 장치, 비디오 장치, 디스플레이 패널, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 데스크톱 컴퓨터 군용 휴대용 컴퓨터 군용 전화기 레이저 거리 측정기 디지털 통신 장치, 정보 수집 센서, 전자 통합 의류, 야간 투시 장비, 전동 공구, 계산기, 라디오, 원격 제어 기기, GPS 장치, 소형 및 휴대용 TV, 자동차 시동 장치, 손전등, 음향 장치, 휴대용 난방 장치, 휴대용 진공청소기 또는 휴대용 의료 도구를 포함하지만 이에 제한하지는 않는다. 배터리 팩을 차량에 장착할 경우, 순수 전기차 또는 하이브리드 차량에 사용할 수 있다.
본원에 개시된 방법 및 장치를 더 잘 예시하기 위해, 비제한적인 구현예 목록을 여기에 제공한다.
실시예 1은 버스바를 적어도 부분적으로 봉지하는 보호 장벽을 포함하는 배터리 셀 또는 배터리 모듈을 전기적으로 연결하도록 구성된 버스바로서, 버스바는 긴 전도성 섹션과 긴 전도성 섹션의 대향 단부에 있는 플러그를 포함하고, 보호 장벽은 적어도 하나의 절연층, 및 임의로 절연층을 적어도 부분적으로 둘러싸는 봉지층을 포함하며, 절연층은 버스바와 임의의 봉지층 사이에 위치하는, 버스바이다.
실시예 2는 실시예 1의 버스바를 포함하되, 보호 장벽은 긴 전도성 섹션을 완전히 둘러싼다.
실시예 3은 실시예 1-2 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 보호 장벽은 플러그의 적어도 일부를 둘러싼다.
실시예 4는 실시예 1-3 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 긴 전도성 섹션의 일측을 덮고, 봉지층은 긴 전도성 섹션을 완전히 둘러싼다.
실시예 5는 실시예 1-4 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만이고 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만인 상기 절연층의 두께 치수를 통한 열 전도도를 갖는다.
실시예 6은 실시예 1-5 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 에어로겔 재료를 포함한다.
실시예 7은 실시예 1-6 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 팽창성 재료를 추가로 포함한다.
실시예 8은 실시예 1-7 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 강화 재료를 포함한다.
실시예 9는 실시예 1-8 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 강화 재료는 유기 중합체 기반 섬유, 무기 섬유, 탄소 기반 섬유 또는 이들의 조합에서 선택된 섬유이다.
실시예 10은 실시예 1-9 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 섬유는 이산 섬유, 직조 재료, 건식 부직포 재료, 습식 부직포 재료, 바느질된 부직포, 튼 솜, 웹, 매트, 펠트, 및/또는 이들의 조합의 형태이다.
실시예 11은 실시예 1-10 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 무기 섬유는 유리 섬유, 암석 섬유, 금속 섬유, 붕소 섬유, 세라믹 섬유, 현무암 섬유, 또는 이들의 조합에서 선택된다.
실시예 12는 실시예 1-11 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 강화 재료는 실록산, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 페놀류, 멜라민, 셀룰로오스 아세테이트, 및 폴리스티렌에서 선택된 폼이다.
실시예 13은 실시예 1-12 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 봉지층은 중합체 재료를 포함한다.
실시예 14는 실시예 1-13 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 봉지층은 중합체 재료 및 중합체 재료에 매립된 장벽층을 포함한다.
실시예 15는 실시예 1-14 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 장벽층은 금속 포일을 포함한다.
실시예 16은 실시예 1-15 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 장벽층은 운모를 포함한다.
실시예 17은 실시예 1-16 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 장벽층은 미세 다공성 실리카, 세라믹 섬유, 미네랄 울, 금속, 탄소, 전도성 중합체, 에어로겔 분말, 또는 이들의 조합을 포함한다.
실시예 18은 하나 이상의 버스바를 적어도 부분적으로 에워싸도록 구성된 버스바 보호 조립체로서, 버스바 보호 조립체는 하우징의 내면에 의해 정해진 내부 공간을 갖는 하우징으로서, 하나 이상의 버스바 위에 위치할 수 있는 형상 및 크기를 갖되, 하나 이상의 버스바는 사용 시 하우징에 의해 실질적으로 에워싸여 있는, 하우징, 및 하우징 내부에 위치하는 절연층으로서, 하나 이상의 버스바와 하우징의 내면 사이에 위치하는 절연층을 포함하는 버스바 보호 조립체이다.
실시예 19는 실시예 18의 버스바를 포함하되, 절연층은 하우징의 내면의 적어도 일부를 덮는다.
실시예 20은 실시예 18-19 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 절연층을 압축하지 않고 배터리 셀 단자가 하우징의 내부 공간 내에 끼워질 수 있게 하는 두께를 갖는다.
실시예 21은 실시예 18-20 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 절연층을 압축하는 경우 베터리 셀 단자가 하우징의 내부 공간 내에 끼워질 수 있게 하는 두께를 갖는다.
실시예 22는 실시예 18-21 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 버스바 보호 조립체는 단일 버스바를 덮는다.
실시예 23은 실시예 18-22 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 버스바 보호 조립체는 다수의 버스바를 덮는다.
실시예 24는 실시예 18-23 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 버스바 보호 조립체는 배터리 모듈 또는 배터리 팩 표면의 전체 버스바를 덮는다.
실시예 25는 실시예 18-24 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 버스바 보호 조립체는 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 전체 표면을 덮고, 덮인 표면은 하나 이상의 버스바를 포함한다.
실시예 26은 실시예 18-25 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 사용 중에 하우징과 배터리 셀 단자 또는 배터리 모듈 단자 사이에 하우징 내로 연장되는 쿠션을 제공한다.
실시예 27은 실시예 18-26 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만이고 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만인 상기 절연층의 두께 치수를 통한 열 전도도를 갖는다.
실시예 28은 실시예 18-27 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 에어로겔 재료를 포함한다.
실시예 29는 실시예 18-28 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 팽창성 재료를 추가로 포함한다.
실시예 30은 실시예 18-29 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 강화 재료를 포함한다.
실시예 31은 실시예 18-30 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 봉지층은 중합체 재료 및 중합체 재료에 매립된 장벽층을 포함한다.
실시예 32는 실시예 18-31 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 장벽층은 금속 포일을 포함한다.
실시예 33은 실시예 18-32 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 장벽층은 운모를 포함한다.
실시예 34는 실시예 18-33 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 버스바는 하나 이상의 절연층 및 하나 이상의 전기 전도층을 포함하고, 전기 전도층은 사용 중에 배터리 셀 또는 배터리 모듈에 연결하는 두 개 이상의 접점을 포함한다.
실시예 35는 실시예 18-34 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 적층 구조의 외부층으로서 배치하고 하나 이상의 전기 전도층은 절연층 사이에 개재한다.
실시예 36은 실시예 18-35 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 적층 구조는 절연층에 결합된 장벽층을 추가로 포함한다.
실시예 37은 실시예 18-36 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 적층 구조는 적층 구조의 일측에서 다른 측으로 순서대로 다음 층을 포함한다: 장벽층, 제1 절연층, 전기 전도층 및 제2 절연층.
실시예 38은 실시예 18-37 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만이고 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만인 상기 절연층의 두께 치수를 통한 열 전도도를 갖는다.
실시예 39는 실시예 18-38 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 에어로겔 재료를 포함한다.
실시예 40은 실시예 18-39 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 절연층은 팽창성 재료를 추가로 포함한다.
실시예 41은 실시예 18-40 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 봉지층은 중합체 재료를 포함한다.
실시예 42는 실시예 18-41 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 봉지층은 중합체 재료 및 중합체 재료에 매립된 장벽층을 포함한다.
실시예 43은 실시예 18-42 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 장벽층은 금속 포일을 포함한다.
실시예 44는 실시예 18-43 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 장벽층은 운모를 포함한다.
실시예 45는 복수의 배터리 셀 또는 배터리 모듈을 연결하는 버스바 시스템으로서, 버스바 시스템은 배터리 셀 또는 배터리 모듈의 적어도 일부 위에 위치한 제1 절연층으로서, 복수의 개구를 포함하는 제1 절연층, 및 하나 이상의 배터리 셀 또는 배터리 모듈을 전기적으로 연결하는 하나 이상의 버스바를 포함하되, 제1 절연층의 개구는, 배터리의 단자가 제1 절연층을 통해 연장되고 하나 이상의 버스바와 접촉하도록 배터리의 단자와 정렬되는, 버스바 시스템이다.
실시예 46은 실시예 45의 버스바를 포함하되, 추가로 하나 이상의 버스바 위에 위치한 제2 절연층을 포함한다.
실시예 47은 실시예 45-46 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 제1 절연층은 제2 절연층에 연결될 수 있어, 하나 이상의 버스바가 제1 절연층 및 제2 절연층에 의해 실질적으로 둘러싸이게 된다.
실시예 48은 실시예 45-47 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 하나 이상의 버스바는 제2 절연층과 접촉하여 압축함으로써 압축된 제2 절연층이 하나 이상의 버스바를 실질적으로 둘러싸게 된다.
실시예 49는 실시예 45-48 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 제1 절연층 및/또는 제2 절연층은 배터리 셀 또는 배터리 모듈에 존재하는 하나 이상의 벤트와 정렬된 하나 이상의 추가 개구를 포함한다.
실시예 50은 실시예 45-49 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 하나 이상의 벤트는 하나 이상의 버스바 아래에 있지 않다.
실시예 51은 실시예 45-50 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 하나 이상의 벤트 중 적어도 일부는 하나 이상의 버스바 아래에 위치하고, 제1 절연층은, 벤트가 하나 이상의 버스바 아래에 위치하는 경우, 하나 이상의 벤트 사이에 위치한다.
실시예 52는 실시예 45-51 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 제1 절연층은 냉각 소자에 결합된 열 전도성 소자를 포함한다.
실시예 53은 실시예 45-52 중 어느 하나의 버스바를 포함하되, 제1 절연층 및/또는 제2 절연층은 에어로겔 재료를 포함한다.
실시예 54는 배터리 셀 또는 배터리 모듈을 전기적으로 연결하도록 구성된 U자형 버스바로서, 버스바는 제1 전도성 U자형 섹션, 제2 전도성 U자형 섹션, 인접한 배터리 셀에서 전극 탭을 수용하기 위한 두 개의 채널, 제1 및/또는 제2 U자형 섹션과 접촉하는 단열재를 포함하되, 제2 전도성 U자형 섹션은 제1 전도성 U자형 섹션에 끼워져 전극 탭을 두 개의 채널에 고정하는, 버스바이다.
실시예 55는 실시예 54의 U자형 버스바를 포함하되, 단열재는 U자형 버스바 위에 위치한다.
실시예 56은 실시예 54-55 중 어느 하나의 U자형 버스바를 포함하되, 단열재는 U자형 버스바에 의해 정해진 내부 공간 내에 배치되는 제1 절연재와 U자형 버스바의 외면과 접촉하는 제2 절연재를 포함한다.
실시예 57은 실시예 54-56 중 어느 하나의 U자형 버스바를 포함하되, 제2 절연재는 하방으로 연장되어 인접한 배터리 셀 또는 배터리 모듈을 분리한다.
실시예 58은 실시예 54-57 중 어느 하나의 U자형 버스바를 포함하되, 제2 절연재는 제1 전도성 U자형 섹션의 하부에 있는 개구를 통해 하방으로 연장된다.
실시예 59는 실시예 54-58 중 어느 하나의 U자형 버스바를 포함하되, 제1 단열재는 주름진 구조를 포함하고, 주름진 구조는 다수의 U자형 버스바에 위치한다.
실시예 60은 실시예 54-59 중 어느 하나의 U자형 버스바를 포함하되, 단열재는 에어로겔을 포함한다.
실시예 61은 복수의 배터리 셀, 복수의 배터리 셀을 포함하는 하우징 및 하우징 덮개, 및 하우징 덮개와 복수의 배터리 셀 사이에 절연층을 포함하는 배터리 모듈을 포함한다.
실시예 62는 실시예 61의 배터리 모듈을 포함하되, 절연층은 에어로겔을 포함한다.
실시예 63은 실시예 61-62 중 어느 하나의 배터리 모듈을 포함하되, 복수의 배터리 셀과 하우징 덮개 사이에 장벽층을 추가로 포함한다.
실시예 64는 실시예 61-63 중 어느 하나의 배터리 모듈을 포함하되, 장벽층은 절연층과 하우징 덮개 사이에 있다.
실시예 65는 실시예 61-64 중 어느 하나의 배터리 모듈을 포함하되, 장벽층은 금속 포일, 운모, 미세 다공성 실리카, 세라믹 섬유, 미네랄 울, 금속, 탄소, 전도성 중합체, 또는 이들의 조합에서 선택된 재료에서 선택된다.
실시예 66은 실시예 61-65 중 어느 하나의 배터리 모듈을 포함하되, 청구항 1-60 중 어느 하나에 따른 하나 이상의 버스바 또는 버스바 시스템을 추가로 포함한다.
실시예 67은 실시예 61-66 중 어느 하나의 배터리 모듈을 포함하되, 상부 커버는 배터리 셀에서 방출된 입자상 물질로 인한 손상에 저항하도록 구성된다.
실시예 68은 실시예 61-67 중 어느 하나의 배터리 모듈을 포함하되, 상부 커버는 강성층과 절연층을 포함한다.
실시예 69는 실시예 61-68 중 어느 하나의 배터리 모듈을 포함하되, 상부 커버는 금속 포일 또는 운모를 포함한다.
실시예 70은 실시예 61에 기술된 하나 이상의 배터리 모듈을 포함하는 전력 시스템이다.
실시예 71은 실시예 70에 따른 배터리 모듈을 포함하는 장치 또는 차량이다.
실시예 72는 실시예 71의 장치를 포함하되, 장치는 노트북 컴퓨터, PDA, 휴대폰, 태그 스캐너, 오디오 장치, 비디오 장치, 디스플레이 패널, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 데스크톱 컴퓨터 군용 휴대용 컴퓨터 군용 전화기 레이저 거리 측정기 디지털 통신 장치, 정보 수집 센서, 전자 통합 의류, 야간 투시 장비, 전동 공구, 계산기, 라디오, 원격 제어 기기, GPS 장치, 소형 및 휴대용 TV, 자동차 시동 장치, 손전등, 음향 장치, 휴대용 난방 장치, 휴대용 진공청소기 또는 휴대용 의료 도구이다.
실시예 73은 실시예 71의 장치를 포함하되, 차량은 전기차이다.
위의 설명은 예시를 위한 것이고, 제한적인 것이 아니다. 예를 들어, 전술한 실시예(또는 이의 하나 이상의 양태)는 서로 조합하여 사용할 수 있다. 위의 설명을 검토하면 당업자가 다른 구현예를 사용할 수 있다. 요약서는 독자가 기술 개시 내용의 성격을 빠르게 확인할 수 있도록 제공된다. 이는 청구범위의 범위 또는 의미를 해석하거나 제한하는 데 사용되지 않을 것이라는 이해를 바탕으로 제출된다. 또한, 위의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서는, 개시를 간소화하기 위해 다양한 특징들을 함께 그룹화할 수 있다. 이는 청구되지 않은 개시된 특징이 임의의 청구항에 필수적이라는 의미로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 본 발명의 주제는 특정 개시된 구현예의 모든 특징보다 적게 존재할 수 있다. 따라서, 이하의 청구범위는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 포함되고, 각 청구범위는 그 자체로 별도의 구현예로서 존재하며, 이러한 구현예는 다양한 조합 또는 치환으로 서로 조합될 수 있는 것으로 고려된다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위와 이러한 청구범위에 부여된 균등물의 전체 범위를 참조하여 결정되어야 한다.
본 발명의 주제에 대한 개요가 특정 예시적인 구현예를 참조하여 기술되었지만, 본 개시의 구현예의 더 넓은 범위에서 벗어나지 않고 이러한 구현예에 대한 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다. 본 발명의 주제의 이러한 구현예는 단지 편의를 위해 ‘발명’이라는 용어로 본원에서 개별적으로 또는 총칭하여 언급될 수 있고, 실제로 하나를 초과하여 개시된 경우 본 출원의 범위를 임의의 단일 개시 또는 발명의 개념으로 자발적으로 제한하려는 의도는 아니다.
본원에 예시된 구현예는 당업자가 개시된 교시를 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 기술된다. 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 구조적 및 논리적 대체 및 변경이 이루어질 수 있도록, 다른 구현예가 사용되고 그에서 도출될 수 있다. 그러므로, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 제한적인 의미로 받아들여져서는 안 되고, 다양한 구현예의 범위는 첨부된 청구범위와 이러한 청구범위에 부여된 균등물의 전체 범위에 의해서만 정의된다.
본원에 사용된 용어 ‘또는’은 포괄적인 의미 또는 배타적인 의미로 해석될 수 있다. 또한, 본원에 기술된 리소스, 동작, 구조에 대해 복수의 사례가 단일 사례로 제공될 수도 있다. 또한, 다양한 리소스, 동작, 시스템, 엔진, 및 데이터 저장소 간의 경계는 다소 임의적이고, 특정 동작은 특정 예시적 구성의 맥락에서 예시된다. 기능의 다른 할당이 구상되고 본 개시의 다양한 구현예의 범위 내에 속할 수 있다. 일반적으로, 예시적인 구성에서 별도의 리소스로 제시된 구조와 기능은 조합된 구조 또는 리소스로 구현될 수 있다. 마찬가지로, 단일 리소스로 제시되는 구조와 기능은 별도의 리소스로 구현될 수 있다. 이들 및 다른 변형, 수정, 추가, 및 개선은 첨부된 청구범위에 의해 표현되는 본 개시의 구현예의 범위 내에 속한다. 따라서, 명세서와 도면은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 의미로 간주되어야 한다.
전술한 설명은, 설명의 목적으로, 특정 예시적 구현예를 참조하여 기술되었다. 그러나, 위의 예시적인 논의는 가능한 예시적인 구현예를 개시된 정확한 형태로 제한하거나 빠뜨리지 않고 총망라하려는 의도가 아니다. 위의 교시를 고려하여 많은 수정과 변형이 가능하다. 예시적인 구현예는 관련된 원리와 그 실제 적용을 가장 잘 설명하기 위해 선택되고 기술되었고, 이로써 당업자가 고려되는 특정 용도에 적합한 다양한 수정을 통해 다양한 예시적인 구현예를 가장 잘 활용할 수 있게 되었다.
또한, ‘제1’, ‘제2’ 등의 용어가 다양한 요소를 기술하기 위해 본원에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소는 이러한 용어에 의해 제한되어서는 안 된다는 것이 이해될 것이다. 이 용어는 한 요소를 또 다른 요소와 구별하는 데에만 사용된다. 예를 들어, 본 예시적인 구현예의 범위를 벗어나지 않으면서 제1 접촉은 제2 접촉으로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 접촉도 제1 접촉으로 명명될 수 있다. 제1 접촉과 제2 접촉은 모두 접촉이지만, 동일한 접촉은 아니다.
본원의 예시적인 구현예의 설명에 사용된 용어는 특정 예시적인 구현예를 기술하기 위한 목적일 뿐이고 제한하려는 의도는 아니다. 예시적 구현예 및 첨부된 실시예의 설명에 사용된 바와 같이, 단수형은 문맥상 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수형도 포함하도록 의도된다. 또한, 본원에 사용된 용어 ‘및/또는’은 관련된 나열된 항목 중 하나 이상의 임의의 및 모든 가능한 조합을 지칭하고 포괄하는 것으로 이해될 것이다. 본 명세서에서 사용된 용어 ‘포함하다’ 및/또는 ‘포함하는’은 명시된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 및/또는 구성 요소의 존재를 지정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성 요소, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 것이 추가로 이해될 것이다.
본원에 사용된 용어 ‘면[if]’은 문맥에 따라 ‘경우’ 또는 ‘시’ 또는 ‘결정에 대한 응답으로’ 또는 ‘검출에 대한 응답으로’를 의미하는 것으로 해석될 수 있다. 마찬가지로, 문구 ‘결정된 경우’ 또는 ‘[명시된 조건 또는 사건]이 검출된 경우’는 문맥에 따라 ‘결정 시’ 또는 ‘결정에 대한 응답으로’ 또는 ‘[명시된 조건 또는 사건]을 검출 시’ 또는 ‘[명시된 조건 또는 사건] 검출에 대한 응답으로’를 의미하는 것으로 해석될 수 있다.

Claims (24)

  1. 버스바를 적어도 부분적으로 봉지하는 보호 장벽을 포함하는 배터리 셀 또는 배터리 모듈을 전기적으로 연결하도록 구성된 버스바로서, 상기 버스바는 긴 전도성 섹션과 긴 전도성 섹션의 대향 단부에 있는 플러그를 포함하고, 상기 보호 장벽은:
    적어도 하나의 절연층; 및
    임의로 상기 절연층을 적어도 부분적으로 둘러싸는 봉지층을 포함하며,
    상기 절연층은 버스바와 임의의 봉지층 사이에 위치하는, 버스바.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보호 장벽은 상기 긴 전도성 섹션을 완전히 둘러싸는, 버스바.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보호 장벽은 상기 플러그의 적어도 일부를 둘러싸는, 버스바.
  4. 제1항에 있어서, 절연층은 상기 긴 전도성 섹션의 일측을 덮고, 상기 봉지층은 상기 긴 전도성 섹션을 완전히 둘러싸는, 버스바.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연층은 25 ℃에서 약 50 mW/m-K 미만이고 600 ℃에서 약 60 mW/m-K 미만인 상기 절연층의 두께 치수를 통한 열 전도도를 갖는, 버스바.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연층은 에어로겔 재료를 포함하는, 버스바.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연층은 팽창성 재료를 추가로 포함하는, 버스바.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연층은 강화 재료를 포함하는, 버스바.
  9. 제1항에 있어서, 장벽층을 추가로 포함하되, 상기 장벽층은 금속 포일을 포함하는, 버스바.
  10. 제14항에 있어서, 장벽층을 추가로 포함하되, 상기 장벽층은 운모를 포함하는, 버스바.
  11. 제14항에 있어서, 장벽층을 추가로 포함하되, 상기 장벽층은 미세 다공성 실리카, 세라믹 섬유, 미네랄 울(wool), 금속, 탄소, 전도성 중합체, 에어로겔 분말, 또는 이들의 조합을 포함하는, 버스바.
  12. 하나 이상의 버스바를 적어도 부분적으로 에워싸도록 구성된 버스바 보호 조립체로서, 상기 버스바 보호 조립체는
    하우징의 내면에 의해 정해진 내부 공간을 갖는 하우징으로서, 하나 이상의 버스바 위에 위치할 수 있는 형상 및 크기를 갖고, 상기 하나 이상의 버스바는 사용 중에 상기 하우징에 의해 실질적으로 에워싸여 있는, 하우징; 및
    상기 하우징 내부에 위치하는 절연층으로서, 상기 하나 이상의 버스바와 상기 하우징의 상기 내면 사이에 위치하는 절연층을 포함하는 버스바 보호 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 절연층은 에어로겔 재료를 포함하는, 버스바 보호 조립체.
  14. 제12항에 있어서, 상기 절연층은 팽창성 재료를 추가로 포함하는, 버스바 보호 조립체.
  15. 제12항에 있어서, 장벽층을 추가로 포함하되, 상기 장벽층은 금속 포일을 포함하는, 버스바 보호 조립체.
  16. 제12항에 있어서, 장벽층을 추가로 포함하되, 상기 장벽층은 운모를 포함하는, 버스바 보호 조립체.
  17. 배터리 셀 또는 배터리 모듈을 전기적으로 연결하도록 구성된 U자형 버스바로서, 상기 버스바는
    제1 전도성 U자형 섹션;
    제2 전도성 U자형 섹션;
    인접한 배터리 셀에서 전극 탭을 수용하기 위한 두 개의 채널;
    상기 제1 및/또는 제2 U자형 섹션과 접촉하는 단열재를 포함하되,
    상기 제2 전도성 U자형 섹션은 상기 제1 전도성 U자형 섹션에 끼워져 전극 탭을 두 개의 채널에 고정하는, 버스바.
  18. 제17항에 있어서, 단열재는 상기 U자형 버스바에 의해 정해진 내부 공간 내에 배치되는 제1 절연재와 상기 U자형 버스바의 외면과 접촉하는 제2 절연재를 포함하는, 버스바.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제2 절연재는 하방으로 연장되어 인접한 배터리 셀 또는 배터리 모듈을 분리하는, 버스바.
  20. 배터리 모듈로서,
    복수의 배터리 셀,
    상기 복수의 배터리 셀을 포함하는 하우징과 하우징 덮개, 및
    하우징 덮개와 상기 복수의 배터리 셀 사이에 절연층을 포함하는, 배터리 모듈.
  21. 제20항에 있어서, 상기 절연층은 에어로겔을 포함하는, 배터리 모듈.
  22. 제20항에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀과 상기 하우징 덮개 사이에 장벽층을 추가로 포함하는 배터리 모듈.
  23. 제20항에 있어서, 상기 장벽층은 상기 절연층과 상기 하우징 덮개 사이에 있는, 배터리 모듈.
  24. 제20항에 있어서, 상기 장벽층은 금속 포일, 운모, 미세 다공성 실리카, 세라믹 섬유, 미네랄 울, 금속, 탄소, 전도성 중합체, 또는 이들의 조합에서 선택된 재료에서 선택되는, 배터리 모듈.
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