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KR102411235B1 - 셀 억제를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

셀 억제를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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KR102411235B1
KR102411235B1 KR1020207012594A KR20207012594A KR102411235B1 KR 102411235 B1 KR102411235 B1 KR 102411235B1 KR 1020207012594 A KR1020207012594 A KR 1020207012594A KR 20207012594 A KR20207012594 A KR 20207012594A KR 102411235 B1 KR102411235 B1 KR 102411235B1
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데이비드 니틀링
헨릭 울프강 벰
클라우스 스피에스크
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메훌 보타드라
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루벤 정
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월터 자슈
마틴 카스너
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Abstract

배터리 팩(1)은 하우징(2)과, 하우징(2)에 배치된 전기화학적 셀들(80)의 어레이를 포함한다. 하우징(2)은 컨테이너(3)와, 컨테이너(3)의 개방 단부를 닫는 뚜껑(30)을 포함한다. 컨테이너(3)는 베이스(4), 베이스(4)를 둘러싸는 측벽(8), 및 셀들(80)과 측벽(8) 사이에서 측벽(8) 내에 배치되는 스프링 판(110)을 가진다. 스프링 판(110)은 컨테이너(3) 내에서 독립되어 있고, 스프링 판들(110)의 면에 수직인 축을 따라 셀들(80)을 억제하는 스프링력을 셀 어레이에 가한다. 뚜껑(30)은 하우징(2) 내의 셀들(80)을 더 억제하는 내부로 돌출된 핀들(50, 60)을 포함한다.

Description

셀 억제를 포함하는 배터리 팩
배터리 팩들은 휴대용 전자장치로부터 재생가능 전력 시스템들 및 환경 친화적인 차량들에 걸치는 다양한 기술들을 위한 전력을 제공한다.
예를 들어, 몇가지 하이브리드 전기 차량들(HEV)은 연료 효율을 증가시키기 위해 연소 엔진과 연결된 전기 모터 및 배터리 팩을 이용한다. 배터리 팩들은 폐쇄된 하우징 내에 저장된 몇개의 전기화학적 셀들로 형성된다. 배터리 팩 하우징 내에서, 셀들은 2차원 또는 3차원 어레이들로 배열되고, 직렬로 또는 병렬로 전기적으로 접속된다.
예를 들어, 각기둥 모양의 셀 성장과 같은 내부 소스 또는 차량 진동과 같은 외부 소스들로 인한, 배터리 팩의 하우징에 대한 셀 움직임은 셀 손상 및/또는 감소된 셀 수명을 발생시킬 수 있다. 배터리 팩 작동성, 신뢰성 및 수명을 향상시키기 위해 배터리 팩 하우징에 대한 셀 움직임을 억제시키는 것이 바람직하다.
몇가지 측면들에서, 배터리 팩은 베이스(base)와 측벽들을 가지는 컨테이너(container)를 포함하는데, 측벽들은 베이스에 수직인 방향으로 베이스로부터 돌출된다. 각각의 측벽은 베이스에 고정된 고정 단부(fixed end)와 고정 단부에 대향되는 자유 단부(free end)를 가지며, 측벽들의 자유 단부들은 함께 컨테이너의 개방 단부(open end)를 정의한다. 배터리 팩은 컨테이너의 개방 단부를 닫도록 구성된 뚜껑을 포함하고, 컨테이너에 배치된 셀들을 포함한다. 셀들은 로우(row) 축을 따라 나란히 배열된 셀들의 단일 로우를 포함하는 어레이로 배열된다. 부가하면, 배터리 팩은, 로우의 최외곽 셀과 컨테이너의 대응되는 측벽 사이에 있도록, 셀들의 로우의 단부에 배치된 스프링 판을 포함한다. 스프링 판은 컨테이너 또는 셀에의 부착에서 자유로우며, 어레이에 스프링력을 가하도록 구성된다.
몇가지 실시예들에서, 스프링 판은 셀들을 마주보는 제 1 면, 컨테이너 측벽을 마주보는 대향된 제 2 면, 및 제 1 면과 제 2 면 사이의 거리에 대응되는 두께를 포함한다. 제 1 면은 비-평면(non-planar)이며, 스프링 판의 두께는 균일하다.
몇가지 실시예들에서, 제 2 면은 면 돌출부를 포함하고, 제 1 면은 면 돌출부의 위치에 대응되는 위치에서 면 함몰부를 포함하고, 면 함몰부는 면 돌출부의 모양에 대응되는 모양을 가진다.
몇가지 실시예들에서, 면 돌출부는 컨테이너 베이스에 수직인 축과 로우 축(row axis)에 직각인, 횡방향 축(transverse axis)을 따라 연장된다(elongated).
몇가지 실시예들에서, 스프링 판 제 2 면은 컨테이너 베이스에 수직인 축을 따라 이격된 2개의 면 돌출부들을 포함한다.
몇가지 실시예들에서, 면 돌출부는 횡방향 축에 평행한 방향에서 돌출부 치수(dimension)를 가지며, 돌출부 치수는 횡방향 축에 평행한 방향에서 스프링 판의 전체 치수의 적어도 30 퍼센트이다.
몇가지 실시예들에서, 스프링 판은 셀들을 마주보는 제 1 면, 컨테이너 측벽을 마주보는 대향된 제 2 면, 제 1 면을 제 2 면에 연결하는 주변 엣지들, 제 1 엣지 돌출부 및 제 2 엣지 돌출부를 포함한다. 제 1 및 제 2 엣지 돌출부들은 동일한 방향으로 돌출되며, 주변 엣지들의 단일 엣지를 따라 이격되고, 스프링 판은 제 1 및 제 2 엣지 돌출부들을 통해 베이스 상에서 지지된다.
몇가지 실시예들에서, 스프링 판은 셀들을 마주보는 제 1 면, 컨테이너 측벽을 마주보는 대향된 제 2 면, 제 1 면을 제 2 면에 연결하는 주변 엣지들, 및 주변 엣지들의 대향된 쌍 사이의 중간에 있고 주변 엣지들의 대향된 쌍으로부터 이격된 중심 영역을 포함한다. 부가하면, 주변 엣지들의 대향된 쌍의 각각을 포함하는 제 1 면의 일부분들은 제 1 면에 직각인 방향에서 중심 영역에 대해 오프셋(offset)된다.
몇가지 실시예들에서, 중심 영역과 주변 엣지들의 대향된 쌍의 각각을 포함하는 제 1 면의 일부분들 사이의 제 1 면의 전이(transition)는 중심 영역에 대해 예각(acute angle)을 형성한다.
몇가지 실시예들에서, 배터리 팩은 2개의 스프링 판들을 포함하여, 로우의 최외각 셀과 컨테이너의 대응되는 측벽 사이에 하나의 스프링 판이 있도록 셀들의 로우의 각각의 단부에 배치되고, 스프링 판들은 스프링력을 어레이에 가하도록 각각 구성된다.
몇가지 실시예들에서, 스프링 판은 셀들을 마주보는 제 1 면, 컨테이너 측벽을 마주보는 대향된 제 2 면, 제 1 면을 제 2 면에 연결하고 로우 축에 평행한 주변 엣지를 가진다. 제 1 면의 중심 영역은 제 1 면에 직각인 방향을 따라 주변 엣지로부터 오프셋된다.
몇가지 측면들에서, 스프링 판은 배터리 팩 하우징 내에서 셀들의 어레이와 함께 조립되도록 구성된다. 스프링 판은 셀들의 어레이의 최외각 셀을 마주보도록 구성된 제 1 면, 배터리 팩 하우징의 내부 면을 마주보도록 구성된 대향된 제 2 면, 및 제 1 면을 제 2 면에 연결하는 주변 엣지를 포함한다. 주변 엣지는 제 1 엣지, 제 2 엣지, 제 3 엣지, 및 제 4 엣지를 포함한다. 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 엣지들은 각각 스프링 판의 고유한(unique) 측면에 대응된다. 제 2 엣지는 제 1 엣지에 평행하고 제 1 엣지로부터 이격되며, 제 3 엣지는 제 4 엣지에 평행하고 제 4 엣지로부터 이격된다. 제 1 면은 제 1 엣지에 직각인 제 1 굴곡선(bend line)에 대해 제 1 방향으로 구부러진다. 제 1 면은 제 2 굴곡선에 대해 제 2 방향으로 구부러진다. 제 2 굴곡선은 제 1 엣지에 직각이고 제 1 굴곡선으로부터 이격되며, 제 2 방향은 제 1 방향에 반대이다. 제 1 면은 제 3 굴곡선에 대해 제 2 방향으로 구부러진다. 제 3 굴곡선은 제 1 엣지에 직각이고, 제 1 및 제 2 굴곡선들로부터 이격된다. 제 1 면은 제 4 굴곡선에 대해 제 1 방향으로 구부러진다. 제 4 굴곡선은 제 1 엣지에 직각이고 제 1, 제 2, 및 제 3 굴곡선들로부터 이격된다. 제 1 주변 영역은 제 3 엣지와 제 1 굴곡선 사이에 걸쳐있고, 제 1 전이 영역은 제 1 굴곡선과 제 2 굴곡선 사이에 걸쳐있고, 중심 영역은 제 2 굴곡선과 제 3 굴곡선 사이에 걸쳐있고, 제 2 전이 영역은 제 3 굴곡선과 제 4 굴곡선 사이에 걸쳐있고, 제 2 주변 영역은 제 4 굴곡선과 제 4 엣지 사이에 걸쳐있다. 부가하면, 제 1 주변 영역은 제 2 주변 영역과 동일평면이며, 중심 영역은 제 1 주변 영역에 평행하고 제 1 주변 영역에 대해 오프셋된다.
몇가지 실시예들에서, 제 1 면은 제 1 엣지에 평행한 제 5 굴곡선에 대해 제 3 방향으로 구부러지고, 제 1 면은 제 6 굴곡선에 대해 제 4 방향으로 구부러진다. 제 6 굴곡선은 제 1 엣지에 평행하고 제 5 굴곡선으로부터 이격되며, 제 4 방향은 제 3 방향과 반대이다. 제 1 면은 제 7 굴곡선에 대해 제 4 방향으로 구부러진다. 제 7 굴곡선은 제 1 엣지에 평행하고 제 5 및 제 6 굴곡선들로부터 이격된다. 제 1 면은 제 8 굴곡선에 대해 제 3 방향으로 구부러진다. 제 8 굴곡선은 제 1 엣지에 평행하고, 제 5, 제 6, 및 제 7 굴곡선들로부터 이격된다. 제 3 주변 영역은 제 1 엣지와 제 5 굴곡선 사이에 걸쳐있다. 제 3 전이 영역은 제 5 굴곡선과 제 6 굴곡선 사이에 걸쳐있다. 중심 영역은 제 6 굴곡선과 제 7 굴곡선 사이에 걸쳐있다. 제 4 전이 영역은 제 7 굴곡선과 제 8 굴곡선 사이에 걸쳐있다. 제 4 주변 영역은 제 8 굴곡선과 제 2 엣지 사이에 걸쳐있다. 제 3 주변 영역은 제 4 주변 영역과 동일평면이다. 중심 영역은 제 3 주변 영역에 평행하고, 제 3 주변 영역에 대해 오프셋되며, 제 3 및 제 4 전이 영역들은 중심 영역에 대해 예각을 형성한다.
몇가지 실시예들에서, 제 1 전이 영역, 제 2 전이 영역, 제 3 전이 영역, 및 제 4 전이 영역은 각각 중심 영역에 대해 예각을 형성한다.
몇가지 실시예들에서, 스프링 판은 제 2 면으로부터 돌출되며 중심 영역에 배치된 면 돌출부를 포함하고, 면 돌출부의 위치에 대응되는 위치에서 제 1 면에 형성된 면 함몰부를 포함한다. 면 함몰부는 면 돌출부의 모양에 대응되는 모양을 가진다.
몇가지 실시예들에서, 면 돌출부는 제 1 엣지에 평행한 방향으로 연장된다.
몇가지 실시예들에서, 스프링 판의 두께는 균일하며, 그 두께는 제 1 면과 제 2 면 사이의 거리에 대응된다.
몇가지 실시예들에서, 스프링 판은 스프링력을 어레이에 가하도록 구성된다.
몇가지 실시예들에서, 제 1 거싯(gusset)은 제 1 주변 영역과 제 1 전이 영역 사이에 걸쳐있고, 제 2 거싯은 제 2 전이 영역과 제 2 주변 영역 사이에 걸쳐있다.
몇가지 실시예들에서, 스프링 판은 제 1 엣지 돌출부와 제 2 엣지 돌출부를 포함하고, 제 1 엣지 돌출부와 제 2 엣지 돌출부는 각각 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 엣지들중 같은 엣지로부터 돌출되고, 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 엣지들중 같은 엣지를 따라 이격된다.
본 개시내용은 전기화학 셀들의 저장을 위한 배터리 팩에 관한 것이다. 배터리 팩은 셀 억제 특징들을 가지는 배터리 팩 하우징을 포함한다.
배터리 팩 하우징은 컨테이너의 개방 단부를 닫는 뚜껑과 컨테이너를 포함한다. 컨테이너는 베이스를 둘러싸는 측벽과 베이스를 가지며 형성된다. 전기화학적 셀들의 어레이는 측벽에 의해 둘러싸이고 베이스 상에서 지지된다. 셀 어레이는 로우(row) 내에서 나란히 배열되는(예를 들어, "적층된(stacked)") 적어도 하나의 로우의 셀들을 포함한다.
배터리 팩 내에서, 셀 적층력(cell stack force)들은 모든 조건들 하에서 특정한 미리 결정된 범위 내에 있어야 한다. 이러한 요구조건을 맞추기 위해, 스프링 판이 각각의 로우의 최외각 셀들과, 마주보는 측벽 사이에 배치된다. 스프링 판들은, 셀 적층력들이, 셀 상태들에 상관없이, 요구되는 범위에 있는 것을 보장하기 위해서, 셀들의 로우의 각각의 단부에 제공된다.
부가하면, 스프링 판들은 로우 축에 평행한 방향으로 셀들의 움직임을 억제하도록 구성되며, 여기서 셀 움직임은 예를 들어 차량 이동으로 인한 진동들에 의한 것이다. 부가하면, 로우 축 방향에서의 그들의 유연성으로 인해, 스프링 판들은 각기둥 모양의(prismatic) 셀 성장으로 인한 스트레스들을 수용하고, 셀로부터 배터리 팩 하우징으로 전달되는 힘의 양을 줄인다. 스프링 판들은 (예를 들어, 베이스에 수직이고 로우 축을 가로지르는 축에 대해 약간 구부러지거나 및/또는 돌출된 영역들을 포함하는) 비-평면이므로, 각기둥 모양의 셀 성장은 스프링 판들에 의해 수용된다. 이것은, 셀 손상 및/또는 감소된 셀 수명을 발생시키는, 셀 성장이 컨테이너 측벽들에 의해 억제되는 몇가지 모듈 하우징들과 비교될 수 있다.
또한, 셀 성장으로부터 발생되는 힘은 측벽에 가해지지 않으므로, 측벽은 치수적으로(dimensionally) 안정하다. 치수적으로 안정한 컨테이너 측벽을 제공함으로써, 뚜껑과 컨테이너의 외부 벽 사이에 제공되는 밀봉(seal)은 측벽이 셀 성장에 의해 영향받을 수 있는 몇가지 배터리 팩 하우징들 보다는 더 신뢰할 수 있다. 밀봉은 티끌(particle) 및/또는 습기가 배터리 팩 하우징의 내부 공간에 들어가는 것을 방지하고, 그에 의해 배터리 팩 동작성, 신뢰성 및 수명이 개선된다.
스프링 판들에 부가하여, 배터리 팩은 또한 다른 셀 억제 특징들을 포함한다. 특히, 셀 뚜껑은 배터리 팩 하우징 베이스에 수직인 방향으로 배터리 모듈 하우징 내의 셀들의 움직임을 억제하도록 구성된 억제 핀들을 포함한다. 한 쌍의 억제 핀들은 각각의 셀의 각각의 단부에 대해 제공된다. 억제 핀들의 쌍은 내부 핀과 외부 핀을 포함하며, 내부 핀이 외부 핀보다 셀에 더 가까우므로, 동등하지 않은 길이를 가진다. 부가하면, 내부 및 외부 핀들을 동등하지 않은 뻑뻑함(stiffness)을 가진다. 그 결과로서, 내부 및 외부 핀들상의 힘들, 따라서 셀들상의 힘들이 일반적으로 동등한, 억제를 핀들이 제공한다.
도 1은 배터리 팩의 분해 조립 사시도이다.
도 2는, 명료함을 위해 생략된, 뚜껑, 밀봉 및 셀들을 가진 배터리 팩의 상부 평면도이다.
도 3은, 명료함을 위해 생략된, 뚜껑, 컨테이너 및 밀봉을 가진 배터리 팩의 분해 조립 사시도이다.
도 4는 배터리 팩의 일부분의 셀들의 분해 조립 사시도이다.
도 5는 스프링 판의 사시도이다.
도 6은 도 5의 라인 6-6을 따라 보여지는 도 5의 스프링 판의 단면 사시도이다.
도 7은 점-대시선들을 이용하여 굴곡선들을 예시하고 대시선들을 이용하여 스프링판의 영역들을 예시하는 도 5의 스프링 판의 전면 평면도이다.
도 8은 대안의 실시예인 스프링 판의 사시도이다.
도 9는 도 8의 라인 9-9를 따라 보여지는 도 8의 스프링 판의 단면 사시도이다.
도 10은 점-대시선들을 이용하여 굴곡선들을 예시하고 대시선들을 이용하여 스프링 판의 영역들을 예시하는 도 8의 스프링 판의 전면 평면도이다.
도 11은 배터리 팩의 뚜껑의 사시도이다.
도 12는 도 1의 라인 12-12를 따라 보여지는 배터리 팩의 단면도이다.
도 13은 도 12의 단면도의 확대된 일부분이다.
도 1 내지 도 3을 언급하면, 배터리 팩(1)은, 배터리 팩 하우징(2)내에 조직화된 방식으로 저장되고 전기적으로 상호접속되는, 전기화학적 셀들(80)을 포함하는 저장 장치이다. 배터리 팩 하우징(2)은 컨테이너(3)의 개방 단부를 닫는 뚜껑(30)과 컨테이너(3)를 포함한다. 배터리 팩 하우징(2)내에서, 셀들(80)은 단일 로우 어레이(40)로 배열되고, 뚜껑(30)으로부터 돌출되는 배터리 팩 단자들(34, 35)에 병렬로 또는 직렬로 전기적으로 접속된다. 배터리 팩(1)은 배터리 팩 하우징(2)에 대한 셀들의 움직임을 제어하는 셀 억제 특징들을 포함한다. 셀 억제 특징들은 하기에 상세히 서술되는 바와 같이 셀 적층 방향에 평행한 방향으로 셀들의 움직임을 억제하고 컨테이너(3)와 셀 어레이 사이에 배치되는, 스프링 판들(110)을 포함한다. 부가하면, 셀 억제 특징들은 하기에 상세히 논의되는 바와 같이, 배터리 팩 하우징 뚜껑(30)으로부터 셀들(80)을 향해 돌출되고, 셀 적층 방향과 직교하는 방향에서 셀들(80)의 움직임을 억제하는, 억제 핀들(50, 60)을 포함한다.
컨테이너(3)는, 베이스(4)와, 베이스(4) 주변을 둘러싸는 측벽(8)을 포함하는, 박스와 같은 구조이다. 베이스(4)는 직사각형이다. 예시된 실시예에서, 베이스(4)는 단일 로우 셀 어레이(40)의 연장된 구성에 대응되도록 폭 치수(dimension) 보다 큰 길이 치수를 가진다. 컨테이너(3)의 종방향 축(longitudinal axis)(15)은 베이스(4)의 길이 치수(dimension)와 나란하게 된다. 베이스(4)는 내부 면 또는 셀을 마주보는 면(5)을 포함하고, 한쌍의 얕은 레일들(6)이 내부 면(5)으로부터 안쪽으로 돌출된다. 레일들(6)은 종방향 축(15)에 평행하고, 베이스(4)의 폭 치수를 따라 이격된다. 셀들(80)은 레일들(6) 상에서 지지되며, 따라서 베이스 내부 면(5)으로부터 약간 이격된다.
측벽(8)은 베이스 내부 면(5)에 수직인 방향으로 베이스(4)로부터 돌출된다. 측벽(8)은 상부 평면도에서 볼 때 직사각형의 닫혀진 섹션을 형성하고, 따라서, 4개의 직교하는 측벽 부분들(9, 10, 11, 12)을 포함한다. 특히, 측벽(8)은 베이스(4)의 길이를 따라 걸쳐있는 제 1 부분(9), 제 1 부분(9)에 인접하고 베이스(4)의 폭을 따라 걸쳐있는 제 2 부분(10)을 포함한다. 측벽(8)은 제 2 부분(10)에 인접하고 제 1 부분(9)에 대향되는 제 3 부분(11)을 포함하고, 제 2 부분(10)에 대향되고 제 1 부분(9)과 제 3 부분(11)을 연결하는 제 4 부분(12)을 포함한다. 제 1 및 제 3 부분들(9, 11)은 제 2 및 제 4 부분들(10, 12)보다 더 큰 면적을 가지며, 컨테이너 종방향 축(15)에 평행하다. 측벽(8)의 외부 면(17)은 측벽(8)을 강화하고 또한 배터리 팩(1)의 냉각을 향상시키도록 작용하는 표면 특징들을 포함한다. 특히, 제 1 및 제 3 부분들(9, 11)의 외부 면은 외부로 돌출되는 립들(ribs)(18)을 포함한다.
배터리 팩 하우징(2)의 뚜껑(30)은 컨테이너(3)의 개방 단부를 닫도록 모양이 형성되고 치수가 정해진다. 뚜껑(30)은 외부로 향하는 면(31)과, 내부로 대향되는 또는 컨테이너를 마주보는 면(32)을 포함한다. 뚜껑(30)의 주변부는 뚜껑(30)을 컨테이너 개방 단부에 고정시키는데 사용되는 체결재들(fasteners), 예를 들어, 나사들을 수용하는 개구들을 포함한다. 체결재들은 뚜껑(30)을 통과하고, 측벽(8)상에 형성된 돌기들(bosses)에 제공된 대응되는 개구들에 맞물린다. 부가하면, 배터리 팩의 양의 및 음의 단자들(34, 35)은 뚜껑(30)의 외부로 향하는 면(31)으로부터 돌출된다.
예시된 실시예에서, 배터리 관리 장치는 뚜껑(30)에 통합되고, 배터리 관리 장치에 의해 제어되는 보조 장치들은 뚜껑의 컨테이너를 마주보는 면(32)으로부터 돌출되고, 하기에 더 논의되는 바와 같이, 컨테이너(3) 안으로 돌출된다. 배터리 관리 장치는 배터리 팩 하우징(2)에 배치된 각각의 셀(80)에 전기적으로 접속되고, 셀들(80)의 기능을 제어하고 모니터링하도록 구성된 전자장치들을 포함한다. 예를 들어, 배터리 관리 장치는 전류 흐름에 능동적으로 영향을 줌으로써 배터리 팩(1)을 조절할 수 있다. 보조 장치는 인쇄회로기판, 저항 버스바(resistance busbar), 릴레이(relay)(36), 퓨즈 등을 포함할 수 있다.
컨테이너(3)와 뚜껑(30)을 포함하는 배터리 팩 하우징(2)은 전기적으로 도전성이 아닌 재료로 형성될 수 있다. 몇가지 실시예들에서, 배터리 팩 하우징(2)은 전기적으로 비도전성이고 열적으로 전도성인 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩 하우징(2)은 열적 전도성을 개선하고 전기적 절연을 제공하는 첨가제들을 구비한, 몰딩된 높은 강도의 플라스틱으로 형성될 수 있다. 립들(18)과 연결되어 사용될 때, 열적으로 전도성인 배터리 팩 하우징(60)은 작동 중에 셀들(80)에 수동 냉각을 제공하고, 그에 의해 셀 작동 효율은 개선되고 셀(80)의 열 감지 구성요소들에 대한 손상이 방지된다.
밀봉(seal)(38)이 컨테이너 측벽(8)의 자유 엣지(14)와 뚜껑(30)의 컨테이너를 마주보는 면(32)의 주변부 사이에 제공된다. 밀봉(38)은 개스킷(gasket)또는 밀봉 접착제일 수 있거나 또는 다른 종래의 기술에 의해서 이루어진다. 밀봉 접착제가 사용되는 몇가지 실시예들에서, 밀봉 접착제는 컨테이너(3)로부터 뚜껑(30)을 제거하는 것을 허용하고, 한편 다른 실시예들에서 밀봉 접착제는 뚜껑(30)의 영구 접착을 컨테이너(3)에 제공한다.
도 4를 언급하면, 셀들(80)은 전력 생산 유닛 및 전력 저장 유닛을 형성하기 위해 전해질(도시되지 않음)과 전극 어셈블리(도시되지 않음)를 둘러싸는 셀 하우징(82)을 포함하는 리튬-이온 셀들이다. 전극 어셈블리는 적어도 하나의 양의 전극, 적어도 하나의 음의 전극, 및 양의 전극과 음의 전극 사이에 배치된 전기적으로 절연성인 세퍼레이터(separator)를 포함한다. 몇가지 실시예들에서, 양의 전극, 음의 전극 및 세퍼레이터는 평탄화된 젤리 롤(jelly roll) 구성으로 감겨질 수 있지만, 전극 어셈블리는 이러한 배열에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 다른 실시예들에서, 양의 전극, 음의 전극, 및 세퍼레이터는, z번 접힐 수 있거나, 또는 적층된 개별 시트들로서 제공될 수 있다.
셀 하우징(82)은 직사각형의 프리즘 모양(예를 들어, 각기둥 모양)을 가지고, 제 1 측면(85), 제 1 측면(85)에 대향되는 제 2 측면(86), 제 1 측면(85)과 제 2 측면(86)에 인접한 제 3 측면(87), 제 3 측면(87)에 대향되고 제 1 측면(85)과 제 2 측면(86)에 인접한 제 4 측면(88)을 포함한다. 제 1 및 제 2 측면들(85, 86)은 제 3 및 제 4 측면들(87, 88)과 동일한 높이를 가지지만 더 큰 폭을 가진다. 예를 들어, 예시된 실시예에서, 제 1 및 제 2 측면들(85, 86)의 폭은 높이의 약 2배이고, 반면에 제 3 및 제 4 측면들(87, 88)의 폭은 높이의 약 4분의 1이다. 부가하면, 셀 하우징(82)은 제 1 단부 또는 상부판(83)을 포함하고, 제 1 단부(83)에 대향되는 제 2 단부(84)를 포함한다. 양의 셀 단자(89), 음의 셀 단자(90), 주입구(fill opening)(91), 및 통풍구는 제 1 단부(83)를 통해 돌출된다. 전극 어셈블리는, 전극들과 세퍼레이터들이 그 주위로 감기는 축이 제 1 및 제 2 단부들(83, 84) 사이에 걸쳐 있도록, 셀 하우징(82)에 배치된다.
전극 어셈블리는 배터리 충전 및 방전 중에 치수의 변화들을 경험한다. 이것은 적어도 부분적으로는, 순환 중에 활성 물질들의 팽창으로 인한 전극 두께 방향에서의 양의 및 음의 전극들의 적층 구조의 팽창으로 인한 것이다. 셀 하우징(82)내의 젤리 롤 전극 어셈블리의 팽창은 "셀 성장"을 일으키는데, 이것은 제 1 및 제 2 측면들(85, 86)의 외부면에 수직이고 감기는 축을 가로지르는 방향으로 셀 하우징(82)의 제 1 및 제 2 측면들(85, 86)의 외부로 향한 구부러짐에 대응된다. 배터리 팩 하우징은 하기에 더 논의되는 바와같이, 그 안에 배치된 셀들(80)의 성장을 수용하는 특징들을 포함한다.
셀들(80)의 어레이(40)는 배터리 팩 하우징(2)의 컨테이너(3)에 배치된다. 예를 들어, 예시된 실시예에서, 어레이(40)는 나란히 배열된 12개의 셀들(80)의 단일 로우를 포함하여, 하나의 셀(80a)의 제 2 측면(86a)은 인접한 셀(80b)의 제 1 측면(85b)을 마주보고, 각각의 셀(80)의 제 1 단부(83)는 뚜껑(30)을 마주본다. 셀 어레이(40)의 적층방향에 대응되는 로우 축(92)은 셀들(80)의 마주보는 면들(예를 들어, 제 1 및 제 2 측면들(85, 86))을 가로지른다.
도 1 내지 도 3을 다시 언급하면, 셀 어레이(40)는 배터리 팩 하우징(2)내에 배열되어, 로우 축(92)은 컨테이너 종방향 축(15)에 평행하고, 어레이(40)의 제 1 단부(42)에서의 최외곽 셀(80)(1)의 제 1 측면(85)은 컨테이너 측벽(8)의 제 2 부분(10)의 내부 면을 향해 마주보고, 어레이(40)의 대향된 제 2 단부(44)에서의 최외각 셀(80)(12)의 제 2 측면(86)은 컨테이너 측벽(8)의 제 4 부분(12)의 내부 면을 마주본다. 절연 세퍼레이터 판(94)은 인접한 셀들(80)의 마주보는 면들 사이에 배치되고, 셀 로우의 각각의 단부에 배치된다.
배터리 팩(1)은 배터리 팩 하우징(2)에 대한 셀들의 움직임을 억제하는 셀 억제 특징들을 포함한다. 특히, 배터리 팩(1)은, 로우 축(92)에 평행한 방향으로 셀들(80)의 움직임을 억제하기 위해서, 로우 축을 따라 배치되고 셀 어레이(40)과 컨테이너(3)사이에 위치되는 스프링 판들(110)을 포함한다. 배터리 팩은 2개의 스프링 판들(110)을 포함한다. 스프링 판들(110)중 하나는 측벽 제 2 부분(10)과 어레이의 제 1 단부에서의 최외각 셀(80)(1)사이의 컨테이너(3)에 배치되고, 스프링 판들(110)중 다른 하나는 측벽 제 4 부분(12)과 어레이의 제 2 단부에서의 최외각 셀(80)(12)사이에 배치된다. 2개의 스프링 판들(110)은 동일하며, 따라서, 하나만이 서술될 것이다.
도 3 및 도 5 내지 도 7을 언급하면, 스프링 판(110)은 배터리 팩 하우징(2)의 내부 면을 마주보도록 구성된 대향된 제 2 면(112)과 셀 어레이(40)을 마주보도록 구성된 제 1 면(111)을 포함하는 얇은 판이다. 스프링 판(110)은 제 1 면(111)을 제 2 면(112)에 연결하는 주변 엣지(113)를 포함한다. 제 1 및 제 2 면들(111, 112)은 일반적으로 직사각형인 옆모습을 가져서, 그에 의해 주변 엣지(113)는 4개의 직교하는 엣지들을 포함한다. 특히, 주변 엣지(113)는 제 1 엣지(114), 제 2 엣지(115), 제 3 엣지(116), 및 제 4 엣지(117)를 포함하여, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 엣지들(114, 115, 116, 117)은 각각 스프링 판의 고유 측면(unique side)에 대응된다. 제 2 엣지(115)는 제 1 엣지(114)에 평행하고 그로부터 이격되어 있으며, 제 3 엣지(116)는 제 4 엣지(117)에 평행하고 그로부터 이격되어 있다. 배터리 팩 하우징(2)에서 셀들(80)과 함께 조립될 때, 스프링 판(110)은, 제 1 및 제 2 엣지들(114, 115)이 하우징 베이스(4)에 평행하고 제 3 및 제 4 엣지들(116, 117)이 하우징 측벽(8)의 제 1 및 제 3 부분들(9, 11)을 마주보도록, 배향된다.
스프링 판(110)은 균일한 두께를 가지며, 여기서 스프링 판(110)의 두께는 제 1 및 제 2 면들(111, 112) 사이의 거리이다. 부가하면, 스프링 판(110)은, 스프링 판(110)의 두께 방향으로 상대적으로 오프셋되는 몇개의 평면 영역들을 포함한다는 점에서, 비-평면이다. 예를 들어, 스프링 판(110)의 중심 영역(180)은 스프링 판(110)의 주변 영역들(170, 171, 172, 173)에 대해 공통 평면에 있지 않고, 중심 영역(180)과 주변 영역들(170, 171, 172, 173)사이의 전이 영역들(176, 177, 178, 179)은 중심 영역(180)에 대해 예각을 이룬다.
더 구체적으로는, 스프링 판(110)은 제 1 면(111)이 제 1 엣지(114)에 직각인 제 1 굴곡선(160)에 대해 제 1 방향(151)으로 구부러지도록 (예를 들어, 각도적으로 변위되도록) 형성된다. 제 1 주변 영역(170)은 제 3 엣지(116)와 제 1 굴곡선(160)사이에 걸쳐있다. 제 1 면(111)은 제 2 굴곡선(161)에 대해 제 2 방향(152)으로 구부러지고, 여기서 제 2 굴곡선(161)은 제 1 엣지(114)에 직각이고 제 1 굴곡선(160)으로부터 이격된다. 제 2 방향(152)은 제 1 방향(151)과 반대이다. 제 1 전이 영역(176)은 제 1 굴곡선(160)과 제 2 굴곡선(161)사이에 걸쳐있다. 스프링 판(110)은 제 1 면(111)이 제 1 엣지(114)에 직각인 제 3 굴곡선(162)에 대해 제 2 방향(152)으로 구부러지도록 형성된다. 제 3 굴곡선(162)은 제 2 굴곡선(161)으로부터 이격되고, 제 2 굴곡선(161)과 제 4 엣지(117) 사이에 배치된다. 중심 영역(180)은 제 2 굴곡선(161)과 제 3 굴곡선(162)사이에 배치되고, 제 1 주변 영역(170)에 대해 오프셋되고 평행하다. 제 1 면(111)은 제 4 굴곡선(163)에 대해 제 1 방향(151)으로 구부러지고, 여기서 제 4 굴곡선(163)은 제 1 엣지(114)에 직각이고 제 1, 제 2, 및 제 3 굴곡선들(160, 161, 162)로부터 더 이격되고, 제 3 굴곡선(162)과 제 4 엣지(117) 사이에 있게 된다. 제 2 전이 영역(177)은 제 3 굴곡선(162)과 제 4 굴곡선(163) 사이에 걸쳐있고, 제 2 주변 영역(171)은 제 4 굴곡선(163)과 제 4 엣지(117) 사이에 걸쳐있다. 제 2 주변 영역(171)은 제 1 주변 영역(170)과 동일평면이며, 중심 영역(180)에 대해 오프셋된다.
부가하면, 스프링 판(110)은 제 1 면(111)이 제 1 엣지(114)에 평행한 제 5 굴곡선(164)에 대해 제 3 방향(153)으로 구부러지도록 형성된다. 제 3 주변 영역(172)은 제 1 엣지(114)과 제 5 굴곡선(164) 사이에 걸쳐있다. 제 1 면(111)은 제 6 굴곡선(165)에 대해 제 4 방향(154)으로 구부러지고, 여기서 제 6 굴곡선(165)은 제 1 엣지(114)에 평행하고 제 5 굴곡선(164)으로부터 이격된다. 제 4방향(154)은 제 3 방향(153)과 반대이다. 제 3 전이 영역(178)은 제 5 굴곡선(164)과 제 6 굴곡선(165) 사이에 걸쳐있다. 스프링 판(110)은 제 1 면(111)이 제 1 엣지(114)에 평행한 제 7 굴곡선(166)에 대해 제 4 방향(154)으로 구부러지도록 형성된다. 제 7 굴곡선(166)은 제 6 굴곡선(165)으로부터 이격되고 제 6 굴곡선(165)과 제 2 엣지(115)사이에 배치된다. 중심 영역(180)은 제 6 굴곡선(165)과 제 7 굴곡선(166)사이에 배치되고, 제 3 중심 영역(172)에 대해 오프셋되며 평행하다. 제 1 면(111)은 제 8 굴곡선(167)에 대해 제 3 방향(153)으로 굴곡되고, 여기서, 제 7 굴곡선(166)과 제 2 엣지(115)사이에 있도록, 제 8 굴곡선(167)은 제 1 엣지(114)에 평행하고 제 5, 제 6, 및 제 7 굴곡선들(164, 165, 166)로부터 이격된다. 제 4 전이 영역(177)은 제 7 굴곡선(166)과 제 8 굴곡선(167) 사이에 걸쳐있고, 제 4 주변 영역(173)은 제 8 굴곡선(167)과 제 2 엣지(115) 사이에 걸쳐있다. 제 4 주변 영역(173)은 제 3 주변 영역(172)과 동일평면이고, 중심 영역(180)에 대해 오프셋된다.
굴곡된 구성의 결과로서, 하기에 더 논의되는 바와같이, 스프링 판(110)은 셀들(80)을 향해 돌출되는 중심 영역(180)을 포함하고, 컨테이너의 중심 영역(180)을 둘러싸며 컨테이너에 대해 스프링 판을 지지하는 주변 영역들(170, 171, 172, 173)을 포함한다.
등고선이 그려진 모양을 가지는 것에 부가하여, 스프링 판(110)은 제 2 엣지(115)로부터 외부로 돌출되는 제 1 엣지 돌출부(119)와 제 2 엣지 돌출부(120)를 포함한다. 제 1 및 제 2 엣지 돌출부들(119, 120)은 동일한 방향으로 돌출되고, 같은 엣지를 따라, 예를 들어 제 2 엣지(115)를 따라, 이격된다. 사용시에, 스프링 판(110)은 제 1 및 제 2 엣지 돌출부들(119, 120)을 통해 컨테이너 베이스(4) 상에서 지지되고, 이것은 컨테이너 베이스 내부 면(5)으로부터 돌출되는 레일들(6)위에 제 2 엣지(115)가 있는 것을 허용하는 스페이서들(spacers)로서 작용한다.
배터리 팩(1)은 2개의 스프링 판들(110(1), 110(2))을 포함하며, 하나의 스프링 판(110)이, 로우의 최외곽 셀과 컨테이너(3)의 대응되는 측벽 사이에 있도록, 셀들(80)의 로우의 각각의 단부에 배치되고, 여기서 스프링 판들(110(1), 110(2))은 컨테이너 종방향 축(15)에 평행한 방향으로 어레이(40)에 스프링력을 가하도록 각각 구성된다.
어레이(40)의 제 1 단부(42)에 배치된 스프링 판(110(1))은 한쌍의 스페이서들(130)을 통해 측벽 제 2 부분(10)으로부터 이격된다. 각각의 스페이서(130)는 뚜껑(30)을 마주보는 대향된 제 2 단부(132)와 베이스(4) 상에서 지지되는 제 1 단부(131)를 포함하는 직사각형 블록이다. 스페이서(130)는 제 1 및 제 2 단부들(131, 132)을 통과하는 축을 따라 연장되고, 셀(80)의 높이와 대략 동일한 높이를 가진다. 스페이서 제 2 단부(132)는 평면이며, 평면에 있고 컨테이너 종방향 축(15)에 평행한 방향으로 돌출되는 한쌍의 탭들(tabs)(133, 134)을 포함한다. 한쌍의 탭들 중 제 1 탭(133)은 측벽 제 2 부분(10)에 제공된 슬롯(7)과 맞물리도록 구성되고 탭들의 쌍 중 제 2 탭(134)은 제 1 또는 제 2 주변 영역들(170, 171) 중 하나에 대응되는 영역에서 스프링 판(110(1))의 제 1 엣지(114)에 맞물리도록 구성된다. 부가하면, 스프링 판(110(1))의 제 1 및 제 2 주변 영역들(170, 171)은 스페이서(130)의 측면(136)과 직접 접촉하고, 스페이서(130)는 스프링 판(110(1))과 측벽 제 2 부분(10) 사이에 갭을 제공한다. 갭(g)은 뚜껑(30)으로부터 안쪽으로 돌출되는 릴레이(36)를 수용하도록 모양을 이루고 치수가 정해진다.
어레이(40)의 제 2 단부(44)에 배치된 스프링 판(110(2))은 측벽 제 4 부분(12)을 마주보고, 스프링 판(110(2))의 제 1 및 제 2 주변 영역들(170, 171)은 측벽 제 4 부분(12)과 직접 접촉한다.
도 8 내지 도 10을 언급하면, 대안의 실시예인 스프링 판(210)은 도 5 내지 도 7에 대해서 상기에 서술된 스프링 판(110)과 기능적으로 동일하고 형태적으로 유사하다. 이러한 이유로, 공통의 참조 번호들이 공통의 요소들을 언급하기 위해 사용된다.
이전의 실시예처럼, 스프링 판(210)은 균일한 두께를 가지며, 여기서 스프링 판(210)의 두께는 제 1 및 제 2 면들(111, 112)간의 거리이다. 부가하면, 스프링 판(210)은 스프링 판(210)의 두께 방향에서 상대적으로 오프셋되는 몇개의 평면 영역들을 포함하는 점에서 비-평면이다. 예를 들어, 스프링 판(210)의 중심 영역(280)은 스프링 판(210)의 주변 영역들(270, 271)에 대해서 비-평면이고, 중심 영역(280)과 주변 영역들(270, 271) 사이의 전이 영역들(276, 277)은 중심 영역(280)에 대해 예각을 이룬다,
더 구체적으로는, 스프링 판(210)은 제 1 면(111)이 제 1 엣지(114)에 직각인 제 1 굴곡선(160)에 대해 제 1 방향(151)으로 구부러지도록 (예를 들어, 각도적으로 변위되도록) 형성된다. 제 1 주변 영역(270)은 제 3 엣지(116)와 제 1 굴곡선(160) 사이에 걸쳐있다. 제 1 면(111)은 제 2 굴곡선(161)에 대해 제 2 방향(152)으로 구부러지고, 여기서 제 2 굴곡선(161)은 제 1 엣지(114)에 직각이고 제 1 굴곡선(160)으로부터 이격된다. 제 2 방향(152)은 제 1 방향(151)과 반대이다. 제 1 전이 영역(276)은 제 1 굴곡선(160)과 제 2 굴곡선(161) 사이에 걸쳐있다. 스프링 판(210)은 제 1 면(111)이 제 1 엣지(114)에 직각인 제 3 굴곡선(162)에 대해 제 2 방향(152)으로 구부러지도록 형성된다. 제 3 굴곡선(162)은 제 2 굴곡선(161)으로부터 이격되고 제 2 굴곡선(161)과 제 4 엣지(117) 사이에 배치된다. 중심 영역(280)은 제 2 굴곡선(161)과 제 3 굴곡선(162) 사이에 배치되고, 제 1 주변 영역(270)에 대해 오프셋되며 평행하다. 제 1 면(111)은 제 4 굴곡선(163)에 대해 제 1 방향(151)으로 구부러지고, 여기서 제 4 굴곡선(163)은, 제 3 굴곡선(162)과 제 4 엣지(117) 사이에 있도록, 제 1 엣지(114)에 직각이고 제 1, 제 2, 및 제 3 굴곡선들(160, 161, 162)로부터 이격된다. 제 2 전이 영역(277)은 제 3 굴곡선(162)과 제 4 굴곡선(163) 사이에 걸쳐있고, 제 2 주변 영역(271)은 제 4 굴곡선(163)과 제 4 엣지(117) 사이에 걸쳐있다. 제 2 주변 영역(271)은 제 1 주변 영역(270)과 동일 평면이고 중심 영역(280)에 대해 오프셋된다.
도 8 내지 도 10에 예시된 스프링 판(210)은, 도 8 내지 도 10에 예시된 스프링 판(210)이 제 1 엣지(114)에 평행한 굴곡선들을 포함하지 않는 점에서, 도 5 내지 도 7의 스프링 판(110)과 상이하다.
부가하면, 도 8 내지 도 10에 예시된 스프링 판(210)의 중심 영역(280), 주변 영역들(270, 271) 및 전이 영역들(276, 277)의 비율들은 도 5 내지 도 7의 스프링 판(110)의 중심 영역(180), 대응되는 주변 영역들(170, 171) 및 대응되는 전이 영역들(176, 177)의 비율들과 상이하다. 예를 들어, 몇가지 실시예들에서, 스프링 판(210)의 중심 영역(280)은 스프링 판(210)의 전체 폭의 약 53 퍼센트의 폭을 가지며, 여기서 스프링 판(210)의 전체 폭은 제 3 및 제 4 엣지들(116, 117) 사이의 거리에 대응된다. 부가하면, 스프링 판(210)의 주변 영역들(270, 271)의 각각은 스프링 판(210)의 전체 폭의 약 5 퍼센트의 폭을 가지며, 전이 영역들(276, 270)의 각각은 스프링 판(210)의 전체 폭의 약 18 퍼센트의 폭을 가진다. 이것은 도 5 내지 도 7에 예시된 스프링 판(110)의 몇가지 실시예들과 비교될 수 있고, 여기서 스프링 판(110)의 중심 영역(180)은 스프링 판(110)의 전체 폭의 약 72 퍼센트의 폭을 가지며, 주변 영역들(170, 171)의 각각은 스프링 판(110)의 전체 폭의 약 11 퍼센트의 폭을 가지며, 전이 영역들(176, 170)의 각각은 스프링 판(110)의 전체 폭의 약 3 퍼센트의 폭을 가진다. 또한, 스프링 판(210)의 중심 영역(280)은 스프링 판(210)의 전체 높이의 약 100 퍼센트의 높이를 가지며, 여기서 스프링 판(210)의 전체 높이는 제 1 및 제 2 엣지들(114, 115) 사이의 거리에 대응된다. 이것은 도 5 내지 도 7에 예시된 스프링 판(110)의 몇가지 실시예들과 비교될 수 있고, 여기서 스프링 판(110)의 중심 영역(180)은 스프링 판(110)의 전체 높이의 약 30 퍼센트의 높이를 가진다. 상기에 서술된 비율들은 예시된 실시예들의 상대적 비율들의 예를 주기 위해 제공된 것이며, 한정하도록 의도된 것은 아니다.
도 8 내지 도 10에 예시된 스프링 판(210)은 또한, 중심 영역(280)에 배치된 면 돌출부들(225)(도 9를 보면, 예시들에서 하나만 보인다)을 스프링 판(210)이 포함하는 점에서, 도 5 내지 도 7의 스프링 판(110)과 상이하다. 면 돌출부들(225)은 제 2 면(112)으로부터 외부로 돌출되고, 따라서 셀 어레이(40)로부터 떨어져서 돌출된다. 스프링 판(210)은 균일한 두께를 가지므로, 면 함몰부들(224, 226)은 면 돌출부들(225)에 대응되는 위치들에서 제 1 면(111)에 형성된다. 면 함몰부들(224, 226)은 면 돌출부들(225)의 모양에 대응되는 모양을 가진다. 면 돌출부들(225) 및 대응되는 면 함몰부들(224, 226)은 그러한 돌출부들을 가지지 않는 스프링 판에 대해 스프링 판(210)의 견고함과 내구력을 증가시키도록 작용한다.
몇가지 실시예들에서, 스프링 판(210)은 제 1 엣지(114)에 직각인 방향으로 이격된 2개의 면 돌출부들(225)을 포함할 수 있다. 면 돌출부들(225)은 제 1 엣지(114)에 평행한 방향으로 연장된다. 다른 방식으로 말하면, 면 돌출부들은, 컨테이너 베이스(4)에 수직인 축과 로우 축(92)에 직각인, 횡방향 축을 따라 연장된다. 면 돌출부들(225)의 각각은 횡방향 축에 평행한 방향으로 치수(dimension)를 가지며, 면 돌출부 치수는 횡방향 축에 평행한 방향에서 스프링 판의 전체 치수의 적어도 30 퍼센트이다.
도 8 내지 도 10에 예시된 스프링 판(210)은 또한, 스프링 판(210)이 주변 영역(270, 271)과 인접한 전이 영역(276, 277) 사이에 걸쳐있는 거싯들(gussets)(228)을 포함하는 점에서, 도 5 내지 도 7의 스프링 판(110)과 상이하다. 예를 들어, 예시된 실시예에서, 스프링 판(210)은 제 1 주변 영역(270)과 제 1 전이 영역(276) 사이에 걸쳐있는 3개의 거싯들(228)을 포함하고, 제 2 전이 영역(277)과 제 2 주변 영역(271) 사이에 걸쳐있는 3개의 거싯들(228)을 포함한다. 거싯들(228)은 제 1 엣지(114)에 직각인 방향으로 이격된다. 거싯들(228)은 스프링 판(210)에 견고함을 제공하고 비-평면 옆모습을 유지하고, 사용시에 스프링 판(210)의 너무 많은 변형을 방지하도록 작용한다.
도 11 내지 도 13을 언급하면, 스프링 판들(110, 210)에 부가하여, 배터리 팩(1)은 배터리 팩 하우징(2)에 대해 셀들(80)의 움직임을 억제하는 다른 셀 억제 특징들을 포함한다. 예를 들어, 배터리 팩(1)은, 예를 들어 차량 진동으로 인한 각각의 셀(80)의 움직임이 두 쌍의 억제 핀들(50, 60)에 의해 억제되도록, 배터리 팩 하우징 뚜껑(30)으로부터 셀들(80)을 향해 돌출되는 억제 핀들(50, 60)을 포함한다. 특히, 한쌍의 억제 핀들(50, 60)이, 셀 단자들(89, 90)의 근처에서, 각각의 셀(80)의 뚜껑을 마주보는 면(83)의 대향되는 단부들 각각에 제공된다. 억제 핀들(50, 60)의 각각의 쌍은 외부 핀(50)과 내부 핀(60)을 포함한다. 주어진 셀(80)의 뚜껑을 마주보는 면(83)의 대향되는 단부들 각각에서, 내부 핀(60)은 주어진 셀(80)의 단자의 한 측면 상에, 예를 들어, 셀 뚜껑을 마주보는 면(83)의 중심부(96)와 음의 단자(90) 사이에, 배치된다. 예시된 실시예에서, 내부 핀(60)은 주입구(91)와 음의 단자(90) 사이에 배치된다. 부가하면, 외부 핀(50)은, 예를 들어 음의 단자(90)와 셀 뚜껑을 마주보는 면(83)의 단부 사이에서, 동일한 단자의 대향되는 측면에 배치된다. 외부 핀(50)은 셀 뚜껑을 마주보는 면(83)의 단부와 동일 평면상에 있지 않으며, 그보다는 뚜껑을 마주보는 면(83)을 셀 측면에 연결하는 용접층(weld seam))의 안쪽에 배치된다.
주어진 쌍의 핀들의 내부 및 외부 핀들(50, 60)은 뚜껑(30)의 주변 엣지(33)에 직각인 횡방향 축(70)을 따라 정렬된다. 특히, 횡방향 축(70)은 뚜껑(30)의 컨테이너를 마주보는 면(32)에 수직인 축(72)과 컨테이너 종방향 축(15) 양쪽 모두에 직교한다.
내부 핀들(60)과 외부 핀들(50)은 뚜껑(30)과 함께 일체로 형성될 수 있고, 그 각각은 스프링 판들(110, 210)의 억제 방향과 직각인 방향에서 셀(80)의 움직임을 억제한다. 즉, 내부 및 외부 핀들(50, 60)은 뚜껑(30)의 컨테이너를 마주보는 면(32)에 직각인 방향에서, 그리고 또한 컨테이너 종방향 축(15)에 직각인 방향에서 셀(80)의 움직임을 억제한다. 이러한 목적으로, 외부 핀(50)과 내부 핀(60)은 컨테이너를 마주보는 면(32)에 수직인 방향으로 컨테이너를 마주보는 면(32)으로부터 각각 돌출되고, 컨테이너를 마주보는 면(32)으로부터 이격된 말단부(52, 62)를 가진다.
외부 및 내부 핀들(50, 60)에 의해 셀(80)에 인가된 어떠한 부하(load)도 국소화되지 않으며, 외부 및 내부 핀들(50, 60)에 의해 셀(80)에 인가된 부하들은 대략 같은 것이 바람직하다. 이전에 논의된 바와 같이, 뚜껑(30)의 주변 엣지(33)는 나사를 통해 컨테이너 측벽(8)에 고정된다. 따라서 내부 핀(60)보다 뚜껑 주변 엣지(33)에 더 가까이 위치된 외부 핀(50)은 내부 핀(60)보다 뚜껑의 컨테이너를 마주보는 면(32)에 수직인 방향으로 상대적으로 더 뻑뻑한데(stiff), 내부 핀(60) 근처의 뚜껑(30)이 뚜껑의 주변 엣지(33)보다 약간 덜 압박되기 때문이다. 외부 및 내부 핀들(50, 60) 간의 부하인가(loading) 차이들을 피하기 위해서, 외부 핀(50)과 내부 핀(60)은 동일하지 않은 길이들을 갖는 것으로 형성되고, 여기서 외부 및 내부 핀들(50, 60)의 길이는 컨테이너를 마주보는 면(32)으로부터 각각의 말단부(52, 62)의 거리에 대응된다. 특히, 외부 핀(50)의 길이는 내부 핀(60)의 길이보다 작고, 그에 의해 내부 핀(60)의 말단부(62)는 외부 핀(50)의 말단부(52)보다 셀(80)의 뚜껑을 마주보는 면(83)에 더 가깝다. 따라서, 차량 진동으로 인해 발생할 수 있는 것과 같은, 외부 및 내부 핀들(50, 60)의 부하인가(loading) 동안, 내부 핀(60)은 외부 핀(50) 이전에 부하인가된다.
내부 핀(60)의 말단부(62)는 횡방향 축(70)을 따라 외부 핀(50)을 향해 돌출되는 돌출부(63)를 포함하고, 그에의해 내부 핀(60)은 L 모양의 옆모습을 가진다. 그 결과로서, 셀 뚜껑을 마주보는 면에 가해지는 힘을 더 비-국소화하면서(de-localizing), 내부 핀 말단부(62)과 셀 뚜껑을 마주보는 면(83) 사이의 접촉 면적은 돌출부 없는 핀의 면적보다 더 크게 된다.
단일 로우 어레이(40)에 배열된 12개의 셀들(80)을 포함하는 예시된 실시예에서, 억제중인 핀들(50, 60)의 24개의 쌍들은 뚜껑 컨테이너를 마주보는 면(32) 상에 제공된다. 따라서, 각각의 셀(80)의 움직임은 횡방향 축(70)에 평행한 단일 축을 따라 정렬된 4개의 핀들(50, 60, 50, 60)에 의해 컨테이너 종방향 축(15)에 직각인 방향에서 제한된다. 부가하면, 스프링 판들(110, 210)의 존재로 인해, 각각의 셀(80)의 움직임은 컨테이너 종방향 축에 평행인 방향에서 제한된다. 그 결과로서, 배터리 팩(1) 내의 셀들(80)의 신뢰성과 수명이 개선된다.
셀들(80)은 젤리 롤(jelly roll) 전극 구성을 가지는 전극 어셈블리(4)를 덮는 것으로 서술되지만. 전극 어셈블리(4)는 이러한 전극 구성에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 전극 어셈블리(4)는 전극 판들의 적층된 또는 접힌 배열을 포함할 수 있거나, 또는 다른 적합한 전극 배열을 포함할 수 있다.
셀들(80)은 리튬이온 셀들인 것으로 서술되지만, 셀들(80)은 이러한 종류의 셀에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 셀들(80)은 납산(lead-acid), 니켈-카드뮴(NiCd), 니켈 금속 수소화물(nickel metal hydride)(NiMH), 및 리튬이온 폴리머를 포함하는 전해질들과 전극 재료들의 상이한 조합들을 포함할 수 있다.
예시된 실시예가 12개의 셀들(80)을 포함하는 단일 로우 셀 어레이(40)를 포함하지만, 배터리 팩(1)은 12개의 셀들(80)을 가지는 것에 한정되지는 않는다. 사용된 셀들의 수는 12개보다 많거나 적을 수 있고, 특정한 응용의 요구조건에 의해 결정된다.
예시된 실시예는 단일-로우 셀 어레이(40)를 포함하지만, 배터리 팩(1)은 단일-로우 어레이(40)를 포함하는 것에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 다른 실시예들에서, 어레이는 복수의 로우들 및 컬럼들로 배열된 셀들(80)을 포함할 수 있고, 또한 셀들의 3차원 어레이를 포함할 수 있다. 그러한 다른 실시예들에서, 배터리 팩 하우징(2)은 셀 어레이를 수용하도록 모양을 이루고 치수가 정해진다.
배터리 팩(1)이 셀들(80)의 로우의 각각의 단부에 하나씩 있는 2개의 스프링 판들(110)을 포함하는 것으로 서술되지만, 배터리 팩은 이러한 배열에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 몇가지 실시예들에서, 배터리 팩(1)은 단일 스프링 판(110)을 포함한다.
여기서 서술된 배터리 팩(1)은 뚜껑 내부 면 상에 장착된 전자장치들을 수용하기 위해서 셀 어레이(40)와 컨테이너 측벽(8) 사이에 갭(g)을 생성하도록 스페이서들(130)을 포함하지만, 갭(g)과 그에 따른 스페이서들(130)도 몇가지 실시예들, 예를 들어, 전자장치들이 외부에 저장되는 실시예들에서, 제거될 수 있음이 예상된다.
예시된 스프링 판들(110, 210)은, 스프링 판들(110, 210)이 컨테이너 베이스(4)로부터 돌출되는 레일들(6) 위에 있는 것을 허용하는, 엣지 돌출부들(119, 120)을 포함하지만, 스프링 판들(110, 210)은 엣지 돌출부들(119, 120) 없이 형성될 수도 있다. 엣지 돌출부들이 생략되는 실시예들에서, 스프링 판들(110, 210)은 사용시에 레일들(6) 상에 있게 되는 선형의 제 2 엣지(115)를 가진다.
배터리 팩과 배터리 팩 하우징의 선택적인 예시적 실시예들은 상기에 더 상세하게 서술되어 있다. 이들 장치들을 명확하게 하는데 필요한 것으로 간주된 구조들만이 여기서 서술되었음이 이해되어야 한다. 다른 종래의 구조들과, 배터리 팩 시스템의 부수적이고 보조적인 구성요소들의 구조들은, 그 기술 분야의 숙련된 자들에 의해서 알려져있고 이해된다고 가정된다. 또한, 배터리 팩 및 배터리 팩 하우징의 작동 예들은 상기에 서술되어 있지만, 배터리 팩 및/또는 배터리 팩 하우징은 상기에 서술된 작동 예들에 한정되지 않으며, 그러나 청구항들에 서술된 장치들로부터 벗어나지는 않고서, 다양한 설계 변경들이 실행될 수 있다.

Claims (20)

  1. 배터리 팩에 있어서,
    베이스(base)와 측벽들을 가지는 컨테이너(container)로서, 측벽들은 베이스에 수직인 방향으로 베이스로부터 돌출되며, 각각의 측벽은 베이스에 고정된 고정 단부와 고정 단부에 대향되는 자유 단부를 가지며, 측벽들의 자유 단부들은 함께 컨테이너의 개방 단부를 정의하는, 상기 컨테이너와,
    컨테이너의 개방 단부를 닫도록 구성된 뚜껑과,
    컨테이너에 배치된 셀들로서, 로우(row) 축을 따라 나란히 배열된 셀들의 단일 로우를 포함하는 어레이로 배열되는, 상기 셀들과,
    로우의 최외곽 셀과 컨테이너의 대응되는 측벽 사이에 있도록 셀들의 로우의 단부에 배치된 스프링 판으로서, 컨테이너 또는 셀에의 부착에서 자유로우며, 어레이에 스프링력을 가하도록 구성된, 상기 스프링 판을 포함하고,
    상기 스프링 판은,
    셀들의 어레이의 최외각 셀을 마주보도록 구성된 제 1 면과,
    배터리 팩 하우징의 내부 면을 마주보도록 구성된 대향된 제 2 면과,
    제 1 면을 제 2 면에 연결하는 주변 엣지로서, 주변 엣지는 제 1 엣지, 제 2 엣지, 제 3 엣지, 및 제 4 엣지를 포함하고, 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 엣지들은 각각 스프링 판의 고유한 측면에 대응되고, 제 2 엣지는 제 1 엣지에 평행하고 제 1 엣지로부터 이격되며, 제 3 엣지는 제 4 엣지에 평행하고 제 4 엣지로부터 이격되는, 상기 주변 엣지를 포함하고,
    제 1 면은 제 1 엣지에 직각인 제 1 굴곡선(bend line)에 대해 제 1 방향으로 구부러지고,
    제 1 면은 제 2 굴곡선에 대해 제 2 방향으로 구부러지고, 제 2 굴곡선은 제 1 엣지에 직각이고 제 1 굴곡선으로부터 이격되며, 제 2 방향은 제 1 방향에 반대이고,
    제 1 면은 제 3 굴곡선에 대해 제 2 방향으로 구부러지고, 제 3 굴곡선은 제 1 엣지에 직각이고 제 1 및 제 2 굴곡선들로부터 이격되며,
    제 1 면은 제 4 굴곡선에 대해 제 1 방향으로 구부러지고, 제 4 굴곡선은 제 1 엣지에 직각이고 제 1, 제 2, 및 제 3 굴곡선들로부터 이격되며,
    제 1 주변 영역은 제 3 엣지와 제 1 굴곡선 사이에 걸쳐있고,
    제 1 전이 영역은 제 1 굴곡선과 제 2 굴곡선 사이에 걸쳐있고,
    중심 영역은 제 2 굴곡선과 제 3 굴곡선 사이에 걸쳐있고,
    제 2 전이 영역은 제 3 굴곡선과 제 4 굴곡선 사이에 걸쳐있고,
    제 2 주변 영역은 제 4 굴곡선과 제 4 엣지 사이에 걸쳐있고,
    제 1 주변 영역은 제 2 주변 영역과 동일평면이며,
    중심 영역은 제 1 주변 영역에 평행하고 제 1 주변 영역에 대해 오프셋되는, 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    스프링 판은,
    셀들을 마주보는 제 1 면과,
    컨테이너 측벽을 마주보는 대향된 제 2 면과,
    제 1 면과 제 2 면 사이의 거리에 대응되는 두께를 포함하며,
    제 1 면은 비-평면(non-planar)이고, 스프링 판의 두께는 균일한, 배터리 팩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제 2 면은 면 돌출부를 포함하고, 제 1 면은 면 돌출부의 위치에 대응되는 위치에서 면 함몰부를 포함하고, 면 함몰부는 면 돌출부의 모양에 대응되는 모양을 가지는, 배터리 팩.
  4. 제 3 항에 있어서,
    면 돌출부는 컨테이너 베이스에 수직인 축과 로우 축에 직각인, 횡방향 축을 따라 연장되는(elongated), 배터리 팩.
  5. 제 4 항에 있어서,
    스프링 판 제 2 면은 컨테이너 베이스에 수직인 축을 따라 이격된 2개의 면 돌출부들을 포함하는, 배터리 팩.
  6. 제 4 항에 있어서,
    면 돌출부는 횡방향 축에 평행한 방향에서 돌출부 치수(dimension)를 가지며, 돌출부 치수는 횡방향 축에 평행한 방향에서 스프링 판의 전체 치수의 적어도 30 퍼센트인. 배터리 팩.
  7. 제 1 항에 있어서,
    스프링 판은,
    셀들을 마주보는 제 1 면과,
    컨테이너 측벽을 마주보는 대향된 제 2 면과,
    제 1 면을 제 2 면에 연결하는 주변 엣지들과,
    제 1 엣지 돌출부 및 제 2 엣지 돌출부를 포함하고,
    제 1 및 제 2 엣지 돌출부들은 동일한 방향으로 돌출되며, 주변 엣지들의 단일 엣지를 따라 이격되고,
    스프링 판은 제 1 및 제 2 엣지 돌출부들을 통해 베이스 상에서 지지되는, 배터리 팩.
  8. 제 1 항에 있어서,
    스프링 판은,
    셀들을 마주보는 제 1 면과,
    컨테이너 측벽을 마주보는 대향된 제 2 면과,
    제 1 면을 제 2 면에 연결하는 주변 엣지들과,
    주변 엣지들의 대향된 쌍 사이의 중간에 있고 주변 엣지들의 대향된 쌍으로부터 이격된 중심 영역을 포함하고,
    주변 엣지들의 대향된 쌍의 각각을 포함하는 제 1 면의 일부분들은 제 1 면에 직각인 방향에서 중심 영역에 대해 오프셋되는, 배터리 팩.
  9. 제 8 항에 있어서,
    중심 영역과 주변 엣지들의 대향된 쌍의 각각을 포함하는 제 1 면의 일부분들 사이의 제 1 면의 전이는 중심 영역에 대해 예각(acute angle)을 형성하는, 배터리 팩.
  10. 제 1 항에 있어서,
    배터리 팩은 2개의 스프링 판들을 포함하여, 로우의 최외각 셀과 컨테이너의 대응되는 측벽 사이에 하나의 스프링 판이 있도록 셀들의 로우의 각각의 단부에 배치되고, 스프링 판들은 스프링력을 어레이에 가하도록 각각 구성되는, 배터리 팩.
  11. 제 1 항에 있어서,
    스프링 판은 셀들을 마주보는 제 1 면, 컨테이너 측벽을 마주보는 대향된 제 2 면, 제 1 면을 제 2 면에 연결하고 로우 축에 평행한 주변 엣지를 가지고, 제 1 면의 중심 영역은 제 1 면에 직각인 방향을 따라 주변 엣지로부터 오프셋되는, 배터리 팩.
  12. 배터리 팩 하우징 내에서 셀들의 어레이와 함께 조립되도록 구성된, 스프링 판에 있어서,
    셀들의 어레이의 최외각 셀을 마주보도록 구성된 제 1 면과,
    배터리 팩 하우징의 내부 면을 마주보도록 구성된 대향된 제 2 면과,
    제 1 면을 제 2 면에 연결하는 주변 엣지로서, 주변 엣지는 제 1 엣지, 제 2 엣지, 제 3 엣지, 및 제 4 엣지를 포함하고, 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 엣지들은 각각 스프링 판의 고유한 측면에 대응되고, 제 2 엣지는 제 1 엣지에 평행하고 제 1 엣지로부터 이격되며, 제 3 엣지는 제 4 엣지에 평행하고 제 4 엣지로부터 이격되는, 상기 주변 엣지를 포함하고,
    제 1 면은 제 1 엣지에 직각인 제 1 굴곡선(bend line)에 대해 제 1 방향으로 구부러지고,
    제 1 면은 제 2 굴곡선에 대해 제 2 방향으로 구부러지고, 제 2 굴곡선은 제 1 엣지에 직각이고 제 1 굴곡선으로부터 이격되며, 제 2 방향은 제 1 방향에 반대이고,
    제 1 면은 제 3 굴곡선에 대해 제 2 방향으로 구부러지고, 제 3 굴곡선은 제 1 엣지에 직각이고 제 1 및 제 2 굴곡선들로부터 이격되며,
    제 1 면은 제 4 굴곡선에 대해 제 1 방향으로 구부러지고, 제 4 굴곡선은 제 1 엣지에 직각이고 제 1, 제 2, 및 제 3 굴곡선들로부터 이격되며,
    제 1 주변 영역은 제 3 엣지와 제 1 굴곡선 사이에 걸쳐있고,
    제 1 전이 영역은 제 1 굴곡선과 제 2 굴곡선 사이에 걸쳐있고,
    중심 영역은 제 2 굴곡선과 제 3 굴곡선 사이에 걸쳐있고,
    제 2 전이 영역은 제 3 굴곡선과 제 4 굴곡선 사이에 걸쳐있고,
    제 2 주변 영역은 제 4 굴곡선과 제 4 엣지 사이에 걸쳐있고,
    제 1 주변 영역은 제 2 주변 영역과 동일평면이며,
    중심 영역은 제 1 주변 영역에 평행하고 제 1 주변 영역에 대해 오프셋되는, 스프링 판.
  13. 제 12 항에 있어서,
    제 1 면은 제 1 엣지에 평행한 제 5 굴곡선에 대해 제 3 방향으로 구부러지고,
    제 1 면은 제 6 굴곡선에 대해 제 4 방향으로 구부러지고, 제 6 굴곡선은 제 1 엣지에 평행하고 제 5 굴곡선으로부터 이격되며, 제 4 방향은 제 3 방향과 반대이고,
    제 1 면은 제 7 굴곡선에 대해 제 4 방향으로 구부러지고, 제 7 굴곡선은 제 1 엣지에 평행하고 제 5 및 제 6 굴곡선들로부터 이격되며,
    제 1 면은 제 8 굴곡선에 대해 제 3 방향으로 구부러지고, 제 8 굴곡선은 제 1 엣지에 평행하고, 제 5, 제 6, 및 제 7 굴곡선들로부터 이격되며,
    제 3 주변 영역은 제 1 엣지와 제 5 굴곡선 사이에 걸쳐있고,
    제 3 전이 영역은 제 5 굴곡선과 제 6 굴곡선 사이에 걸쳐있고,
    중심 영역은 제 6 굴곡선과 제 7 굴곡선 사이에 걸쳐있고,
    제 4 전이 영역은 제 7 굴곡선과 제 8 굴곡선 사이에 걸쳐있고,
    제 4 주변 영역은 제 8 굴곡선과 제 2 엣지 사이에 걸쳐있고,
    제 3 주변 영역은 제 4 주변 영역과 동일평면이며,
    중심 영역은 제 3 주변 영역에 평행하고, 제 3 주변 영역에 대해 오프셋되며,
    제 3 및 제 4 전이 영역들은 중심 영역에 대해 예각을 형성하는, 스프링 판.
  14. 제 13 항에 있어서,
    제 1 전이 영역, 제 2 전이 영역, 제 3 전이 영역, 및 제 4 전이 영역은 각각 중심 영역에 대해 예각을 형성하는, 스프링 판.
  15. 제 12 항에 있어서,
    제 2 면으로부터 돌출되며 중심 영역에 배치된 면 돌출부와,
    면 돌출부의 위치에 대응되는 위치에서 제 1 면에 형성된 면 함몰부로서, 면 돌출부의 모양에 대응되는 모양을 가지는, 상기 면 함몰부를 포함하는, 스프링 판.
  16. 제 15 항에 있어서,
    면 돌출부는 제 1 엣지에 평행한 방향으로 연장되는, 스프링 판.
  17. 제 12 항에 있어서,
    스프링 판의 두께는 균일하며, 상기 두께는 제 1 면과 제 2 면 사이의 거리에 대응되는, 스프링 판.
  18. 제 12 항에 있어서,
    스프링 판은 스프링력을 어레이에 가하도록 구성되는, 스프링 판.
  19. 제 12 항에 있어서,
    제 1 거싯(gusset)은 제 1 주변 영역과 제 1 전이 영역 사이에 걸쳐있고, 제 2 거싯은 제 2 전이 영역과 제 2 주변 영역 사이에 걸쳐있는, 스프링 판.
  20. 제 12 항에 있어서,
    제 1 엣지 돌출부와 제 2 엣지 돌출부를 포함하고,
    제 1 엣지 돌출부와 제 2 엣지 돌출부는 각각 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 엣지들중 같은 엣지로부터 돌출되고, 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 엣지들중 같은 엣지를 따라 이격되는, 스프링 판.
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