KR20230019458A

KR20230019458A - 선택적 상변화 특징을 갖는 배터리

Info

Publication number: KR20230019458A
Application number: KR1020227046048A
Authority: KR
Inventors: 루이스 로미오 홈
Original assignee: 위스크 에어로 엘엘씨
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2021-06-02
Publication date: 2023-02-08
Also published as: CN115668594A; JP2023527967A; AU2021283348A1; US20210384567A1; WO2021247778A1; EP4162560A1; CA3182972A1

Abstract

실시예들은 배터리 셀 및/또는 배터리 서브모듈 내에서 방출될 수 있는 과도한 열을 흡수하기 위한 상변화 물질(PCM)을 포함하는 배터리 셀 및/또는 배터리 서브모듈을 제공한다. 상기 PCM은 단열층에 더하여 배터리 셀 내에 층 형태로 제공될 수 있다. 대안적으로, PCM 층은 단열층을 대체할 수 있다. PCM은 배터리 서브모듈을 포함하는 용기 내의 배터리 서브모듈의 하나 이상의 측면에 제공될 수 있다. PCM은 층 및/또는 하나 이상의 스트립 형태로 제공되는 고체 PCM일 수 있다. PCM은 또한 배터리 서브모듈을 포함하는 용기에 제공되는 액체 PCM을 포함할 수 있다.

Description

선택적 상변화 특징을 갖는 배터리

본 출원은 2020년 6월 3일에 출원되고 발명의 명칭이 "선택적 상변화 특징을 갖는 배터리(Battery with Selective Phase Change Features)"인 미국 가특허 출원 번호 제63/034,246호에 대해 35 USC§ 119(e)에 따른 이익을 주장하며, 그 개시 내용은 모든 목적을 위해 전체적으로 본 명세서에 참고로 채용된다.

배터리는 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 전기 화학 장치이다. 리튬 이온 배터리, 니켈-금속-하이드라이드 배터리, 납산 배터리, 니켈-카드뮴 배터리, 알카라인 배터리 등을 포함하는 배터리 기술의 수많은 예가 해당 기술 분야에 알려져 있다. 배터리는 다양한 크기와 다양한 동작 특성((예컨대: 전압(또는 전위), 최대 전류, 충전 용량 등)으로 제조될 수 있다. 고전압 또는 높은 충전 용량을 지원하기 위해, 다수의 배터리 셀들을 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 연결하여 배터리 팩을 제조할 수 있다. 기술에 따라 어떤 형태의 배터리는 충전 전류의 소스에 연결함으로써 충전될 수 있다.

배터리(특히 리튬 이온 배터리)는, 자동차, 항공기, 선박 등과 같은 차량의 모터를 구동하기 위한 휴대용 전원을 포함하여 광범위 용도로 사용된다. 경우에 따라, 배터리 또는 배터리 팩이 차량의 유일한 전원일 수 있다. 추진을 위해 배터리 파워에만 의존하는 차량은 배터리가 손상나면 갑자기 동력을 잃을 수 있다. 배터리 손상이 발생했을 때 차량의 상태에 따라, 그 결과는 불편함에서 재앙에 이르기까지 다양할 수 있다.

보다 높은 전압에 도달하고 의도된 용도에 대해 배터리를 효과적으로 제조하기 위해 충분한 에너지를 저장하기 위한 다수의 셀들 종종 필요하다. 다수의 배터리 셀들은 하나의 배터리 서브모듈로 함께 패키징될 수 있다. 배터리 서브모듈에 있는 하나 이상의 셀들은 열 폭주로 불리는 발열 과정의 형태로 손상될 수 있다. 셀의 열 폭주 프로세스는, 제조 결함, 셀의 잘못된 취급 또는 남용 또는 셀 온도를 상승시키거나 셀을 외부 소스의 고온에 노출시키는 요인으로 인해 발생할 수 있다. 높은 온도는 종종 셀의 반응 속도를 증가시켜, 온도를 추가로 증가시키고 반응 속도를 더욱 증가시킨다. 이 열 폭주 프로세스의 결과로서, 배터리 서브모듈의 셀은 셀 주변 영역으로 다량의 열을 방출한다.

배터리 서브모듈의 셀들은 종종 서로 매우 밀접하게 패킹되기 때문에, 셀 조립체의 일부에 있는 하나의 셀이 열 폭주를 경험하면, 손상된 셀의 고온이 근처 셀의 열 폭주를 유발(예컨대, 열 폭주 전파)할 수 있다. 이와 같은 과정은 인접한 셀에서 열을 방출하고 배터리의 나머지 셀 전체에 열 폭주 과정을 전파하여 배터리의 계단식 손상을 일으키고, 다량의 에너지를 방출할 수 있다. 따라서, 열 폭주 발생 위험을 줄이는 배터리를 제조하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에서는 배터리 셀 및/또는 배터리 서브모듈 내에서 방출될 수 있는 과도한 열을 흡수하기 위한 상변화 물질(PCM)을 포함하는 배터리 서브모듈의 예(또는 실시예)가 기술된다. 배터리 셀에 결함이 있거나 국지적 온도가 바람직하지 않게 상승하는 기타 상황의 경우, 상변화 물질은 온도 상승을 제한하고 열 폭주 사건을 방지하는 비상 냉각 효과를 제공할 수 있다.

각종 실시예들에 따르면, 배터리 서브모듈은, 용기; 상기 용기 내에 제공된 하나 이상의 배터리 셀로 형성된 배터리 스택; 및 상기 용기 내에 제공되는 상변화 물질층을 포함한다. 상변화 물질은, 배터리 스택에서 방출되는 열을 흡수하도록 구성된다. 배터리 서브모듈은 또한, 배터리 스택의 하나 이상의 배터리 셀과 함께 적층된 하나 이상의 절연층을 포함할 수 있다. 상기 용기는 배터리 스택 및 내부에 제공된 상변화 물질을 압축하도록 구성될 수 있다.

어떤 실시예에서, 상변화 물질은 하나 이상의 배터리 셀과 함께 적층된 상변화 물질의 하나 이상의 고체층을 포함한다. 상변화 물질의 하나 이상의 고체 층들은 하나 이상의 배터리 셀들 사이에 제공된다. 상변화 물질의 하나 이상의 고체 층들은 배터리 스택의 상면 또는 저면에 제공될 수 있다. 상변화 물질의 하나 이상의 고체 층은, 배터리 스택의 하나 이상의 측면들에 제공될 수 있다. 어떤 실시예에 따르면, 상변화 물질은 용기에서 배터리 스택을 감쌀 수 있다.

각종 실시예에 따르면, 배터리 스택의 적어도 하나의 층에는 상변화 물질이함침될 수 있다. 상변화 물질은 팽창성 코팅을 포함한다.

어떤 실시예에서, 상변화 물질은 용기 내에 제공된 미리 결정된 양의 액체 상변화 물질을 포함한다. 배터리 스택은 액체 상변화 물질에 적어도 부분적으로 침지된다. 소정의 양은 약 1 밀리리터 내지 약 30 밀리리터일 수 있다.

어떤 실시예는, 용기; 상기 용기 내에 제공된 하나 이상의 배터리 셀로 형성되는 배터리 스택; 및 상기 용기 내에 제공되는 상변화 물질층을 포함한다. 상변화 물질은 배터리 스택으로부터 방출되는 열을 흡수하도록 구성된다. 배터리 서브모듈은 또한, 배터리 스택의 하나 이상의 배터리 셀들과 함께 적층되는 하나 이상의 절연층들을 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한, 결함의 경우, 배터리 스택으로부터 방출될 에너지를 계산하는 단계; 및 상변화 물질의 융해 잠열 및 배터리 스택으로부터 방출될 에너지에 기초하여 상변화 물질층의 두께를 결정하는 단계를 포함한다.

어떤 실시예는 배터리 서브모듈을 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은, 하나 이상의 배터리 셀로 형성되는 배터리 스택을 용기에 삽입하는 단계; 및 배터리 스택의 적어도 일부가 액체 상변화 물질에 침지되도록 액체 상변화 물질을 용기에 첨가하는 단계를 포함한다. 액체 상변화 물질은 배터리 스택으로부터 방출되는 열을 흡수하도록 구성된다. 상기 방법은 또한, 배터리 서브모듈의 성능을 테스트하는 단계; 배터리 서브모듈의 성능을 미리 결정된 임계값과 비교하는 단계; 및 상기 비교에 기초하여 액체 상변화 물질의 양을 조정하는 단계를 포함한다. 상기 조정하는 단계는, 미리 정해진 양의 액체 상변화 물질을 용기에 첨가하는 단계; 또는 용기로부터 액체 상변화 물질의 미리 결정된 양을 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명의 각종 실시예들은 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면에 개시되어 있다:
도 1a는, 예시적인 배터리 서브모듈의 적층된(예를 들어, 층을 이룬) 내용물의 평면도를 예시한다.
도 1b는, 배터리 서브모듈의 적층된 내용물을 둘러싸고 압축하는 용기에 제공된 예시적인 배터리 서브모듈을 도시한다.
도 2a-2b는, 단열층으로 사용되는 에어로겔을 갖는 예시적인 배터리 서브모듈을 도시한다.
도 3a는, 각종 실시예에 따른, 상변화 물질(PCM; Phase Change Material) 층을 갖는 예시적인 배터리 서브모듈을 도시하며, 도 3a는 각종 실시예에 따라 하나 이상의 PCM 스트립들을 갖는 예시적인 배터리 서브모듈을 도시한다.
도 3b는, 각종 실시예에 따른 연속 PCM 층을 갖는 예시적인 배터리 서브모듈을 도시한다.
도 4는, 각종 실시예에 따라 하나 이상의 배터리 셀들과 함께 적층되는 하나 이상의 PCM 층을 갖는 예시적인 배터리 서브모듈을 도시한다.
도 5는, 각종 실시예에 따른 PCM 저장소를 갖는 예시적인 배터리 서브모듈을 도시한다.
도 6은, 각종 실시예에 따라 PCM 저장소를 갖는 예시적인 배터리 서브모듈을 제조하기 위한 단계의 예시적인 흐름도를 도시한다.
도 7은, 각종 실시예에 따라 하나 이상의 PCM 층을 갖는 예시적인 배터리 서브모듈을 제조하기 위한 단계의 예시적인 흐름도를 도시한다.
도 8은, 열 폭주 사건의 예를 도시하며, 여기서 제1 곡선은 종래의 시스템에 따른 불량 배터리 셀의 온도를 나타낸다.
도 9는, 각종 실시예에 따라 배터리 서브모듈 내의 PCM에 의해 방지되는 열폭주 사건의 일례를 도시한다.

본 발명은, 프로세스; 장치; 시스템; 및/또는 물질의 조성을 포함하는 많은 방법들로 구현될 수 있다. 본 명세서에서, 이들 구현 또는 본 발명이 취할 수 있는 임의의 다른 형태는 기술로 언급될 수 있다. 일반적으로, 개시된 프로세스 단계의 순서는 본 발명의 범위 내에서 변경될 수 있다. 별도의 언급이 없는 한, 구성요소는 주어진 시간에 작업을 수행하도록 일시적으로 구성되는 일반적인 구성요소 또는 작업을 수행하기 위해 제작되는 특정 구성요소로 구현될 수 있다.

실시예들은, 배터리 셀 및/또는 배터리 서브모듈 내에서 방출될 수 있는 과도한 열을 흡수하기 위한 상변화 물질(PCM)을 포함하는 배터리 셀 및/또는 배터리 서브모듈을 제공한다. 각종 실시예에 따르면, 상기 PCM은 단열층에 부가하여 배터리 셀 내에 층의 형태로 제공될 수 있다. 대안적으로, PCM 층은 단열층을 대체할 수 있다. 어떤 실시예에서, PCM은 배터리 서브모듈을 포함하는 용기 내의 배터리 서브모듈의 하나 이상의 면들(예를 들어, 저면, 상면, 전면, 후면)에 제공될 수 있다. PCM은 층 및/또는 하나 이상의 스트립들의 형태로 제공되는 고체 PCM일 수 있다. 또 다른 실시예에서, PCM 재료는 배터리 서브모듈을 포함하는 용기에 제공되는 액체 PCM이다. 본 발명에 언급된 배터리 셀/서브모듈에서 PCM의 다양한 구현들(예를 들어, 고체 PCM 층, 하나 이상의 고체 PCM 스트립, 액체 PCM)은 그 자체로 또는 이들의 임의의 합당한 조합으로 제공될 수 있다.

예시적인 배터리 서브모듈(들)

먼저, 배터리 셀 및 배터리 서브모듈의 구성요소를 설명하면 도움이 될 것이다. 도 1a는, 배터리 셀, 단열층 및 열전도층을 포함하는 예시적인 배터리 서브모듈(150)의 적층된(예를 들어, 층으로 된) 내용물의 평면도를 도시한다. 도 1b는 배터리 서브모듈(150)의 적층된 내용물을 둘러싸고 압축하는 용기(120)(예를 들어, 금속 캔)에 제공된 배터리 서브모듈(150)을 도시한다.

배터리 서브모듈(150)은, 항공기, 선박, 철도 차량, 자동차, 트럭, 오프로드 차량, 개인 트랜스포터(예를 들어, 스케이트보드 또는 스쿠터), 전기 자전거 등과 같은 차량에 동력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 배터리 서브모듈(150)은, 리튬 이온 배터리, 납산 배터리, 니켈-금속-하이드라이드 배터리 등을 포함하는 임의 형태의 배터리일 수 있다. 배터리 서브모듈(150)은, 단일 배터리 셀 또는 직렬 및/또는 병렬로 함께 연결된 다수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩으로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, "배터리 셀" 또는 "셀"이라는 용어는 독립형 배터리를 포함하는 것으로 이해될 수 있거나, 또는 배터리 서브모듈의 경우 배터리 서브모듈 내에서 독립적으로 교체 가능한 몇 가지 배터리 유닛들 중 하나를 포함하는 것으로 이해될 수 있다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 예시적인 배터리 서브모듈(150)의 적층된 내용물은, 열전도층(100), 배터리 셀(102) 및 단열층(104)을 포함하는 반복 패턴을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 열전도층(100)은 일측 또는 양측에 핀(fin)들을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 각각의 배터리 서브모듈(150)은 12개의 배터리 셀 및 대응하는 수의 단열층 및 열전도층을 포함한다. 스태킹 패턴에 대한 특정 시작 및 끝은 여기에 표시되지 않으며 적절한 시작 및 종료 층(들)이 사용될 수 있다. 어떤 실시예에서, 적층된 층들은 2개의 단열층으로 시작하고 끝날 수 있다. 추가 PCM 층은 이하에서 보다 상세히 기술되는 바와 같이 (예를 들어, 배터리 서브모듈(150)을 사이에 끼우기 위해) 단열층의 한면 또는 양면에 제공될 수 있다.

어떤 실시예에서, 열전도층(100)은, 이 열전도층과 접촉하는 배터리 셀(102)에 대한 히트 싱크로서 작용할 수 있다. 배터리 셀에 의해 생성된 열(예를 들어, 정상 작동 및/또는 심각한 손상 동안)을 적층된 층의 내부로부터 외부로 분산시킴으로써, 열전도층(100)은 근처의 배터리 셀이 과열되어 훼손될 수 있는 것을 방지한다. 몇몇 실시예에서, 열전도층(100)은 금속의 우수한 열전도 특성으로 인해 금속(예를 들어, 1235 시리즈 Al)으로 제조될 수 있다.

각종 실시예들에 따르면, 배터리 셀(102)은 파우치 셀일 수 있다. 파우치 셀은 압력이 가해질 때 보다 잘 수행된다(예컨대: ~3 - 5 PSI). 보다 구체적으로, 파우치 셀에 압력을 가하면 파우치 셀의 주기 수명을 연장할 수 있다. 따라서, 도 1a에 도시된 적층된 층들은, 도 1b에 도시된 바와 같이 금속 용기(120)를 사용하여 압축될 수 있다.

도 1b는, 용기의 내용물을 압축하는 용기(120)를 포함하는 배터리 서브모듈(150)의 적층된 내용물의 사시도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이. 배터리 서브모듈(150)의 각각의 배터리 셀(102)은 양극 탭(106) 및 음극 탭(108)을 포함할 수 있다. 각각의 양극 탭(106)은 전기적으로 연결될 수 있고 각각의 음극 탭(108)은 전기적으로 연결될 수 있다. 그 결과, 용기(120)의 내용물이 (도 1b에 도시된 바와 같이) 뚜껑(130)으로 밀봉될 때, 뚜껑(130)은 단일 양극 연결부(116) 또는 포트 및 단일 음극 연결부(118) 또는 포트를 노출시킨다.

다시 도 1a를 참조하면, 단열층(104)은 한 셀로부터 다른 셀로 열이 확산되는 것을 방지(또는 적어도 감속 및/또는 완화)할 수 있다. 예를 들어, 하나의 셀이 치명적으로 손상된 경우, 손상된 셀에서 다량의 열이 방출된다. 단열재가 없으면, 모든 열이 근처 셀로 전파되어 해당 셀도 치명적인 손상을 일으킨다. 결국 모든 셀는 도미노와 같은 효과로 파국적으로 훼손될 것이다. 이 도미노 같은 효과는 때때로 열 폭주 전파라고도 불린다. 열 폭주는 단일 배터리 셀이 발열 화학 반응으로 인해 멈출 수 없는 온도 상승을 겪을 때 발생할 수 있다. 한 셀의 열폭주로 인해 다른 셀이 열폭주 상태가 되면 그 효과를 열폭주 전파 사건트(또는 단순히 열폭주 전파)라고 지칭한다. 단열층(104)은 열 폭주가 발생하는 것을 방지(또는 적어도 감속 및/또는 완화)할 수 있다.

단열층(104)은 금속 용기(120)로부터 예측되는 압력을 견딜 수 있는(예를 들어, 붕괴되지 않는) 재료로 제조될 수 있다. 예컨대, 관심사의 메트릭으로서 물질의 스프링 상수를 사용하면, 단열층(104)의 상수는 무시할 수 없어야 한다. 어떤 실시예들에서, 단열층(104)은 우수한 단열재이고 무시할 수 없는 스프링 상수를 갖는 에어로겔로 형성될 수 있다. 도 2a-2b는 단열층으로 사용되는 에어로겔(200)을 갖는 배터리 서브모듈을 도시한다.

단열층은 열전도율이 좋지 않기 때문에 과열된 배터리 셀 내에 과도한 열을 포함한다. 과도한 열은 여전히 배터리 서브모듈의 다른 영역으로 전달되지만 전달 속도는 느려진다. 또한, 단열층은 과열된 배터리 셀과 다른 인접 배터리 셀들 사이의 열 저항을 증가시킴으로써 인접 배터리 셀로부터 배터리 서브모듈의 다른 영역(예를 들어, 다른 구성요소 및 인접하지 않은 배터리 셀들)으로 열을 유도하기 위해 사용될 수 있다. 그 결과, 과열된 배터리 셀은 근처의 다른 배터리 셀에 다량의 열을 빠르게 전달하지 않는다. 대신, 열은 다른 영역으로 향할 수 있을 뿐만 아니라 가까운 지역으로 천천히 방출될 수 있으며, 그 다음 인근 영역은 계속해서 배터리 서브모듈의 다른 영역으로 열을 분산시킨다. 열의 느린 방출은 여분의 열이 배터리 서브모듈의 다른 영역으로 전달될 수 있는 추가 시간을 가능케하고 국소 영역에 모으는 대신 배터리 서브모듈 주변에 보다 균일하게 효과적으로 분산된다. 따라서, 단열층은 결함이 있는 배터리 셀 외측의 서브모듈의 특정 국부 영역이 임계 온도(예컨대: 200℃)에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 단열층은, (1) 서브모듈이 임계 온도에 도달하는 데 걸리는 시간을 연장하고 (2) 인접한 배터리 셀로의 열전달보다 전도성이 높은 서브모듈 외부로의 열전달을 더욱 적절히 수행함으로써, 서브모듈 전체에 걸쳐 온도 균일성을 증가시키고 임의의 부품이 임계 온도에 도달하는 것을 방지한다. 따라서, 단열층은 배터리 서브모듈에서 보다 낮은 온도로 보다 균일하게 열을 효과적으로 분산시키도록 한다.

그러나, 경우에 따라서는, 배터리 서브모듈의 모든 셀에 균일하게 온도가 분포되더라도, 그 온도는 여전히 임계 온도를 초과할 수 있다.

PCM을 갖는 배터리 서브모듈

본 발명에 기술된 실시예는, 배터리 서브모듈이 임계 온도에 도달하는 것을 방지하기 위해 배터리 서브모듈에 상변화 물질(PCM)를 제공한다. PCM은 전술한 단열층과 관련하여 사용될 수 있지만, 어떤 실시예에서는 PCM 자체가 사용될 수 있다(예를 들어, 단열 재료는 PCM으로 형성되거나 PCM으로 대체될 수 있음). 배터리 서브모듈을 통해 열을 분산시키는 대신(예컨대: 하나의 배터리 셀에서 발산되는 열을 하나 이상의 인접 셀 또는 배터리 서브모듈의 다른 셀로 분산), PCM은 과잉의 열을 흡수하여 PCM의 분자들 간의 결합을 재구성한다. 즉, PCM은 열을 흡수하여 하나의 상(예컨대: 고체, 겔)으로부터 다른 상(예컨대: 액체)으로 천이된다.

PCM의 상변화 과정 동안, 상변화를 유발하는 흡수열 에너지는 PCM 내에 온도상승을 야기하지 않는다. 그 결과, PCM은 온도 상승 없이 배터리 서브모듈 내에서 열을 흡수할 수 있다. 이 효과로 인해, PCM은 배터 서브모듈 내에서 온도 천장을 제공할 수 있다. 온도 천정(등온 경계 조건이라고도 함)은 PCM이 상변화 프로세스를 겪는 온도이거나 그 온도 근처일 수 있다. 온도 천장은 배터리 서브모듈 내에서 제어되지 않은 온도 상승을 방지할 수 있다. 예를 들어, 하나의 배터리 셀이 손상나면 PCM이 해당 배터리 셀의 과도한 열을 흡수하여 열이 나머지 배터리 서브모듈의 온도를 높이거나 다른 배터리 셀에 영향을 미칠 수 있다. 결과적으로 PCM은 국부 온도가 제어되지 않고 상승하는 경우 비상 냉각 효과를 제공할 수 있다. PCM이 제공하는 비상 냉각 효과는 배터리 셀 손상으로 인해 발생하는 열을 충분히 억제하여 열 폭주와 같은 치명적인 사건을 방지할 수 있다.

PCM이 온도 증가 없이 상변화 동안 흡수할 수 있는 열의 양은 물질의 잠열과 물질의 양의 함수이다. 이와 같은 요소(예컨대: PCM의 재료 형태 및 크기)는 PCM이 열 폭주(또는 기타 과열 문제)를 방지하기에 충분한 열을 흡수하고 포함할 수 있도록 구성할 수 있다.

또한, PCM의 형태은 PCM이 상변화를 겪는 온도에 기초하여 선택될 수 있다. 하나 이상의 배터리 셀의 손상을 방지하기 위해, 배터리 서브모듈 내의 온도를 소정의 소정 온도 이하로 제한하는 것이 바람직할 수 있다. 특정 미리 결정된 온도 이하에서 온도 천정을 설정하기 위해 그 특정 미리 결정된 온도 이하에서 상변화를 겪는 PCM이 사용될 수 있다. 예를 들어, 임계 온도는 배터리 셀이 손상되거나 제어되지 않은 과열이 증가하는 경향이 있는 온도일 수 있다. 임계 온도 미만인 특정 온도에서 상변화를 겪는 PCM이 선택될 수 있다.

도 8은 열 폭주 이벤트의 예를 도시한다. 제1 곡선(850)은 PCM 층을 포함하지 않는 종래의 배터리 시스템에서 결함이 있는 배터리 셀의 온도를 나타낸다. 첫 번째, 손상된 배터리 셀의 온도는 손상이 발생함에 따라 급등하고, 온도는 첫 번째 최고 온도인 870도까지 급상승한다. 첫 번째 배터리 셀의 온도 급상승으로 인해 다량의 열이 배터리 서브 모듈 및 다른 배터리로 발산된다. 셀. 제2 곡선(851) 및 제3 곡선(852)은 배터리 서브모듈 내에서 제1 배터리 셀에 인접하거나 제1 배터리 셀 근처에 있을 수 있는 두 개의 다른 배터리 셀의 온도를 나타낸다. 첫 번째 불량 배터리 셀에서 열이 새면서 두 번째 배터리 셀과 세 번째 배터리 셀의 온도가 상승한다. 제2 배터리 셀 및 제3 배터리 셀이 특정 임계 온도(860)에 도달하면, 이들 배터리 셀도 손상 및 제어되지 않는 온도 급등을 겪게 된다. 제2 곡선(851)에 도시된 바와 같이, 제2 손상이 발생한 배터리 셀의 온도는 제2 손상이 발생함에 따라 급상승하고, 온도는 제2 최고 온도(871)까지 급상승한다. 제3 곡선(852)에 도시된 바와 같이, 제32 손상이 발생한 배터리 셀의 온도는 제3 손상이 발생함에 따라 급상승하고, 온도는 제3 최고 온도(872)까지 급상승한다. 제1 배터리 셀로부터 제2 및 제3 배터리 셀로 열이 발산되는 데 필요한 시간으로 인해 제1 배터리 셀의 손상(온도 피크 870으로 도시)과 제2 및 제3 배터리 셀의 손상(온도 피크 871 및 872로 도시) 사이에는 시간 지연이 있다. 다수의 배터리 셀들에 걸쳐 제어되지 않은 온도 증가의 전파는 열 폭주 이벤트이다. 임계 온도(860)는 배터리 셀의 종류에 따라 달라진다. 이 예에서, 임계 온도(860)는 약 섭씨 175도이다.

도 9는 각종 실시예에 따른 배터리 서브모듈 내의 PCM에 의해 열 폭주 이벤트가 방지되는 예를 도시한다. 제1 곡선(950)은 불량 배터리 셀의 온도를 나타낸다. 제1 손상 배터리 셀의 온도는, 손상이 발생함에 따라 급등하여, 제1 최고 온도(970)까지 온도가 급상승한다. 제1 배터리 셀의 온도 급상승으로 인해 다량의 열이 발생한다. 과도한 열은 PCM에 의해 흡수되어, 다른 배터리 셀 및 배터리 서브 모듈의 다른 영역에서 온도가 상승하는 것을 방지한다. PCM은 특정 상변화 온도(965)에서 상변화를 겪을 수 있다. 그 결과, 배터리 서브모듈 및 손상 배터리 셀외측의 다른 배터리 셀 내의 온도는 (예컨대, 적어도 일부 PCM이 아직 상변화되지 않는 한) 상변화 온도(965)를 초과하여 증가하지 않을 수 있다. 상변화 온도(965)는 다른 배터리 셀이 손상될 수 있는 임계 온도(960) 미만이므로, PCM은 다른 배터리 셀이 임계 온도(960)에 도달하여 손상나는 것을 방지한다. 이는 배터리 서브모듈 내의 2개의 다른 배터리 셀의 온도를 나타내는 제2 곡선(951) 및 제3 곡선(952)에 의해 도시된다. 이들 다른 배터리 셀의 온도는 상변화 온도(965)에 도달할 수 있지만 임계 온도(960)에는 도달하지 않을 수 있다. 그 결과, 제2 배터리 셀 및 제3 배터리 셀에서 제어되지 않은 온도 상승이 방지되고, 열 폭주 사태가 방지된다. 상기 임계온도(960)는 배터리 셀의 종류에 따라 다르며, 상변화 온도(965)는 PCM의 형태에 따라 다르다. 이 예에서, 임계 온도(960)는 약 섭씨 175도이고, 상변화 온도(965)는 약 섭씨 130도이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, PCM층(300)은 배터리 서브모듈(350)에서 흡열층으로 제공될 수 있다. 어떤 실시예에서, PCM층(300)은 용기(305)의 상부, 덮개 바로 아래에 제공될 수 있다. 예를 들어, PCM 층(300)은 배터리 셀 스택 위와 셀 탭 및 상호접속부(304) 아래에 배치된 하나 이상의 스트립의 형태로 형성될 수 있다. 특히 화재가 관찰되는 경우. 열 폭주 전파로 이어지는 일차 열 전달 경로로 되는 셀들의 상부가 도시되어 있다. 따라서, 배터리 서브모듈(350)의 상부에 PCM 층(300)을 배치하면, 총 에너지 방출을 제한하여 화재가 시작되는 것을 방지할 수 있다(예를 들어, 배터리 서브모듈의 전해질이 점화되는 것을 방지한다). 또한, 배터리 서브모듈(350) 상부에 PCM 층(300)을 배치하면 배터리 서브모듈(350)의 2차 열에너지원인 배터리 서브모듈(350) 상부의 연소도 억제된다.

열 폭주 전파가 배터리 서브모듈에서 발생하는 경우, 탭(304)이 제공되는 상부 부분에서 하나 이상의 배터리 셀이 파손되어 개방될 수 있다. 이 위치는 배터리 셀을 밀봉하는 접착제가 가장 약한 위치이기도 한다. 배터리 셀 파우치가 열리면 고압 기화 전해질 구름이 배터리 서브모듈 내에서 방출된다. 증발된 전해질은 국지적 온도가 너무 높으면 발화하는 경향이 있다. 따라서, 배터리 셀 상부에 PCM층(300)을 둠으로써 배터리 서브모듈의 상부(및 나머지) 부분의 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 열 폭주 전파 또는 바람직하지 않은 온도 상승의 경우, PCM 층(300)은 열을 흡수하고 온도를 국소적으로 낮출 것이다. 배출 가스가 축적되는 배터리 서브모듈의 상부 부분의 온도를 낮춤으로써, PCM 층(300)은 배출 가스가 점화되는 것을 방지한다(예를 들어, PCM 층 300은 연소를 방지한다).

어떤 실시예에서, 예시적인 배터리 서브모듈은 용기(305)에 제공된 하부층 및 상부층과 같은 PCM(300)의 다수의 층들을 포함할 수 있다. 배터리 셀들의 스택은 하부 PCM층과 상부 PCM층 사이에 끼워질 수 있다. 어떤 실시예에서, PCM 층은 또한 배터리 셀 스택에 대한 전면(및/또는 후면) 층(306)으로서 형성될 수 있다. 대안적으로, 배터리 셀 스택은 PCM 층 파우치에 싸인 다음 용기(305)에 삽입될 수 있다. 이와 같은 모든 예시적인 예시적인 실시예에서, PCM 층(300)은 에어로겔과 같은 단열층(열절연층)(302)에 추가하여 제공될 수 있다.

도 3a에 도시된 바와 같이, PCM 층(300)은 다수의 PCM 피스들(예를 들어, 스트립들)로 형성될 수 있다. 각종 실시예에 따르면, PCM 층(310)은 도 3b에 도시된 바와 같이 용기(305) 내의 원하는 위치 및/또는 배터리 셀 스택 상에 또는 그 주위에 배치된 연속적인 층(예를 들어, 필름형 층)일 수 있다. 예시적인 PCM 층(310)은 셀 탭 및 인터커넥트(304)를 수용하기 위한 하나 이상의 개구부(303)(예를 들어, 슬롯)를 포함할 수 있다. PCM 층(300 또는 310)은 예컨대 접착제의 사용과 같은 적절한 결합 수단을 통해 배터리 셀의 스택에 결합될 수 있다. 어떤 실시예에서, PCM 층(들)은 용기(305)(및 뚜껑)에 의해 제공되는 압축을 통해 적소에 유지될 수 있다.

PCM층(300, 310)이 겔 형태인 경우, PCM층(300, 310)은 용기(305)의 원하는 위치에 주입될 수 있다.

도 4는 PCM층(400)이 배터리 셀들 사이에 적층된 층으로 형성된 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 예시적인 배터리 서브모듈(450)은, PCM 층(400), 배터리 셀(402), 히트 스프레더(404), 다른 PCM 층(400)의 예시적인 순서로 적층된 복수의 층들을 포함한다. 이들 층은 예시적인 배터리 서브모듈을 형성하기 위해 반복될 수 있다. 본 실시예에서 PCM층(400)은 한 쌍의 배터리 셀들 사이에 구비된다. PCM 층(들)(400)은 단열층(들)(406)에 부가하여 제공된다.

상술한 바와 같이, PCM층(400)은 단열층(406)과는 다른 방식으로 독립적으로 작용한다. 단열층(406)은 과열된 배터리 셀로부터의 급격한 열 누출을 억제하여, 과도한 열이 국부 영역에서 수집하는 대신 전체 배터리 서브모듈 주변에서 천천히 발산되도록 한다. 이에 대해, PCM 층(400)은 과도한 열을 흡수한다. 각종 실시예에 따르면, PCM 층(400)의 두께는 PCM의 융해 잠열 및 배터리 셀로부터 방출되는 에너지량에 기초하여 결정될 수 있다. 실시예들은 PCM 층(400)이 정상 작동 동안, 과열 동안, 및/또는 하나 이상의 배터리 셀의 손상 동안 방출된 에너지를 흡수하기에 충분히 두꺼울 수 있도록 된다.

히트 스프레더(404)는 배터리 셀(402)과의 임의의 접촉점으로부터 열을 받을 수 있고, 히트 스프레더(404) 전체에 걸쳐 빠르게 열을 전도할 수 있다. 이는, 히트 스프레더(404)가 열을 동일한 투과율로 각각의 PCM-스프레더 접촉점에서 PCM 층(400)으로 전달할 수 있기 때문에(400), PCM 층으로 열을 전달하기 위한 접촉 표면적을 기능적으로 증가시킬 수 있다. 그 결과, 히트 스프레더(404)는 배터리 셀(402)로부터 PCM 층(400)으로의 열을 빠르게 전달하는 것을 도울 수 있다. 단열층(406)은 한 배터리 셀 영역에서 다른 배터리 셀 영역으로 열이 전달되는 것을 억제할 수 있다.

실시예들은 배터리 서브모듈(450) 층이 다른 구성을 갖도록 한다. 예를 들어, 어떤 실시예에서, 각각의 배터리 셀(402)은, 배터리 셀(402)의 각 측면에 하나씩, 2개의 히트 스프레더(404)와 접촉할 수 있다. 또한, 각각의 히트 스프레더(404)) 다음에는 PCM층(400)이 있고, 각각의 PCM층(400) 다음에는 단열층(406)이 있을 수 있으며, 이에 의해 각각의 배터리 셀(402)은 2개의 히트 스프레더들(404), 2개의 PCM 층들(400) 및 2개의 단열층들(406)에 의해 샌드위치된다. 첫 번째 및 마지막 배터리 셀을 둘러싸는 층은 다양할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀 스택의 맨 위 또는 맨 아래에는 단열층(406)이 없을 수 있다.

어떤 실시예에서, PCM 층(400)은 단열층(들)(406) 대신에 사용될 수 있다. 또한, 각 배터리 셀들의 쌍 사이에 PCM 층(400)를 사용함이 없이, PCM 층(400)을 한 세트의(예컨대 둘 이상) 배터리 셀 뒤에 배치하는 것이 가능할 수 있다. 이와 같은 층 형성은 PCM층(400)의 효율적인 열 흡수 특성으로 인해 가능할 수 있다. 이와 같은 예시적인 구조는 주어진 배터리 서브모듈에 대한 추가적인 부피 및/또는 중량 절감을 제공할 수 있다.

도 3a-4에 도시된 예시적인 실시예에 도시된 PCM 층은 PCM 재료로 형성될 수 있거나, 또는 예를 들어 팽창성 코팅이 함침된 기판으로 형성될 수 있다.

예를 들어, 도 3a-3b에 도시된 PCM 층(300) 및 도 4에 도시된 PCM 층(400)에 을 대한 예시적인 재료는 상변화 세라믹 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 세라믹 세퍼레이터는 일체형 수화물 PCM이 있다. PCM은 세라믹 세퍼레이터가 히트 스프레더 로서 작용하는 동안 기체 상태로 변할 수 있다.

팽창성 코팅의 경우, PCM 층(300)을 위한 예시적인 재료는 팽창성 코팅을 갖는 세라믹 페이퍼 절연체(예를 들어, IC100 Coating 갖는 Superwool® EST)를 포함할 수 있다. 팽창성 코팅은 예를 들어 배터리 서브모듈의 층(예를 들어, 배터리 셀, 단열층 등)에 도장될 수 있다. 따라서, 배터리 서브모듈의 층은 팽창성 코팅(PCM)으로 함침될 수 있다. 과도한 열(또는 화재)이 발생하면 팽창성 코팅이 열을 흡수하면서 상이 바뀐다(예컨대: 재로 변한다). 팽창성 코팅의 잠열은 배터리 셀과 관련하여 잠재적인 열 폭주의 초기 온도 급등을 흡수할 수 있는 반면, 단열체는 나머지 열이 인접한 셀로 퍼지는 것을 방지한다.

도 5는 액체 PCM 층(500)을 포함하는 다른 예시적인 배터리 서브모듈(550)을 도시한다. 적층된 셀(예를 들어, 배터리 셀 502, 히트 스프레더 504, 단열층 506의 의 반복 패턴의 스택)은 배터리 서브모듈(550)을 포함하는 용기(510) 내의 액체 PCM(500)(예를 들어, PCM 저장소)의 부피에 적어도 부분적으로 부피에 침지될 수 있다. 액체 PCM의 부피는 최소화되어야 하고 단일 배터리 열폭주의 효과를 완화시키기에 충분해야 한다. 어떤 실시예에서, 임의의 적합한 부피의 액체 PCM이 있을 수 있다. 예를 들어, 액체 PCM의 부피는 배터리 서브 모듈(550)의 구성 및 크기에 따라 약 10 밀리리터 내지 약 100 밀리리터일 수 있다. 도 5에 도시된 실시예는 배터리 서브모듈(550)의 성능에 기초하여 변경될 수 있다(예를 들어, 액체 PCM이 용기 510에 추가되거나 제거될 수 있다). 액체 PCM은 바람직하게 다수의 배터리 셀들과 접촉하여 열을 제거할 수 있으며, 이에 따라 동일한 액체 PCM이 서로 다른 배터리 셀이 과열될 수 있는 여러 경우들에 유용하다. 동일한 액체 PCM은 기본적으로 여러 배터리 셀들에서 공유될 수 있다. 그 결과, 배터리 셀마다 별도의 PCM 부분이 필요하지 않고, PCM의 총량을 줄일 수 있어 배터리 서브모듈의 무게를 줄일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리 서브 모듈(550)의 중간(미들) 배터리 셀(512)에서 방출된 과잉 열은 도 5의 열 벡터(530)로 도시된 바와 같이 외부로 확산될 수 있다. 더 다량의 열이 액체 PCM(500)에 의해 흡수될 수 있지만, 단열층(506)도 일부 열을 흡수한다. 히트 스프레더(504)는 열 벡터로 도시된 바와 같이 액체 PCM(500)을 향해 과도한 열을 안내(예를 들어, 확산)할 것이다. 열 벡터로 나타낸 바와 같이, 최소량의 과잉 열이 여전히 인접한 배터리(522)로 전달될 수 있다.

예시적인 배터리 서브모듈(550)에서, PCM은, PCM 저장소에 침지된 서브모듈의 전체 섹션에 대해 등온 경계 조건을 시행하는 데 사용될 수 있다. 서브모듈 전체에 분산될 때 PCM은 모든 열 전달이 PCM에 우선하도록 하는 핀 효과를 생성할 수 있다. 고체 PCM의 경우(예를 들어, 도 3a-4에 도시된 예시적인 실시예에서와 같이), PCM 층은 연속적일 필요가 있을 수 있고(예를 들어, 도 3a에 도시된 스트립은 이상적이지 않을 수 있다), PCM 층을 위한 재료는 (도 5에 도시된 예시적인 실시예에서와 같이) PCM 저장 용액과 유사한 핀 효과를 달성하기 위해 높은 전도성이 필요할 수도 있다.

각종 실시예들에 따르면, 용기(510)는 밀폐될 수 있다. 하나 이상의 통기 구멍이 용기(510)에 형성되는 실시예에서, 통기 구멍(들)은 예를 들어 웨더 스트리핑 또는 기밀 테이프를 사용하여 밀봉될 수 있다. 서브모듈에서 열 폭주 전파가 발생하면, 열이 통기 구멍들의 밀봉을 분해(예컨대: 용융)하여 통기 구멍들을 개방하여 뜨거운 가스를 외부 배터리 서브모듈의 외부 환경으로 방출할 수 있다. 배터리 서브모듈이 도 5에 도시된 바와 같이 액체 PCM층을 포함하면, 액체 PCM 층이 과잉 열을 흡수하므로 통풍 구멍들의 밀봉이 더 오래 지속될 수 있다. 어떤 실시예에서, 서브모듈의 온도가 액체 PCM 층에 의해 포함될 수 있는 수준 이상으로 증가하면, 밀봉부가 용융되어 뜨거운 가스를 방출할 수 있다. 이때, 액체 PCM은 기체로 변할 수 있어 누출의 우려가 없다. 예를 들어, 밀봉 재료는 PCM이 상변화(예를 들어, 기화)를 겪는 온도보다 더 높은 용융 온도를 갖도록 선택될 수 있다. PCM의 일부가 상변화를 겪고 있는 한, PCM은 온도 상승을 경험하거나 배터리 서브모듈 온도를 상승시키지 않고 배터리 셀에서 과도한 열을 흡수할 수 있다. 모든 PCM이 상변화(예컨대: 기화)되면 PCM 온도 및 배터리 서브모듈 온도가 PCM 상변화 온도 이상으로 증가할 수 있다. 다음, 밀봉부들이 녹는 지점까지 온도가 상승하면 밀봉부가 녹아 뜨거운 가스가 배터리 서브모듈에서 빠져나갈 수 있다.

예시적인 액체 PCM은 상변화 유전성 액체 재료(예를 들어, 3M™ Novec™ 7000)를 포함할 수 있으며, 이는 엔지니어링 재료와 양호한 호환성을 갖고, 낮은 표면 장력(양호한 위킹 능력)을 갖고 열 질량의 추가를 허용하도록, 저온에서 비등한다. 예시적인 액체 PCM은 또한 전기적 절연성일 수 있다. 어떤 실시예에서, 액체 PCM은 낮은 열전도도를 가질 수 있다. 또한, 각종 실시예에 따르면, 가스는 열 에너지 덤프를 허용하는 배터리 서브모듈로부터 배출되도록 의도된다. 따라서, 액체 PCM용 재료는 응축 열상을 나타내지 않아야 한다. 특정 실시예에서, 용기(510)는 추가적인 액체 PCM을 추가하기 위한 및/또는 배출된 PCM을 교체하기 위한 하나 이상의 개구부들을 포함할 수 있다. PCM을 추가하기 위한 개구부에는 제거 가능한 캡이 있을 수 있고 및/또는 누출/누설 없이 유체 및 가스를 삽입할 수 있도록 구성될 수 있다.

어떤 실시예에서, 동일한 배터리 서브모듈 내에서 액체 PCM과 고체 PCM의 조합이 이용될 수 있다.

어떤 실시예에서, 상이한 상변화 온도를 갖는 2개 이상의 형태의 PCM이 동일한 배터리 서브모듈 내에 포함될 수 있다. 이는 배터리 서브모듈 내에서 두 개의 상이한 인공적 온도 한계들이 생성될 수 있도록 하며, 제1 온도 한계는 제1 상변화 온도를 갖는 제1 형태의 PCM에 의해 제공되고, 제2 온도 한계는 제1 상변화 온도보다 높은 제2 상변화 온도를 갖는 제2 형태의 PCM에 의해 제공된다. 두 가지 다른 온도 한계는 하나 이상의 배터리 셀에서 얼마나 많은 열이 방출되었는지 확인하는 데 도움이 될 수 있으므로, 배터리 진단 및 경고 시스템을 개선할 수 있다. 예를 들어, 온도 센서가 첫 번째 온도 한계에 도달한 다음 초과되었음을 나타내면, 첫 번째 형태의 PCM이 완전히 활용되었음을 나타낼 수 있다(예컨대, 모든 첫 번째 형태의 PCM이 상변화를 경험함). 이것은 얼마나 많은 열이 방출되고 흡수되었는지를 나타낼 수 있으며(예컨대, 첫 번째 형태의 PCM의 완전한 상변화를 유발하는 데 필요한 열의 양), 방어선이 하나만 남아 있음을 나타낼 수 있으며(예컨대, 두 번째 PCM 형태), 이는 진보된 경고 시스템을 트리거할 수 있다. 또한, 여러 형태의 PCM을 사용하는 것은, 특정한 바람직한 온도 범위(예컨대: 제1 온도 한계 초과 및 제2 온도 한계 미만) 내에 있도록 온도를 제어하는 방법일 수 있다. 이것은 배터리 셀이 약간 높은 온도에서 더 효율적으로 작동할 수 있으므로 바람직할 수 있다. 따라서, PCM 생성 온도 한계는, 서브모듈 온도가 배터리 셀 성능을 위한 최적의 온도이거나 그 근처에 있도록 구성될 수 있다.

도 6은, 각종 실시예에 따라 PCM 저장소를 갖는 예시적인 배터리 서브모듈을 제조하기 위한 단계들의 예시적인 흐름도를 도시한다. 단계 602에서, 하나 이상의 배터리 셀들로 형성된 배터리 스택이 용기에 삽입되어, 배터리 서브모듈을 형성한다. 어떤 실시예에서, 배터리 서브모듈은 또한, 배터리 셀들 사이에 하나 이상의 단열층을 포함할 수 있다.

단계 S604에서, 액체 상변화 물질의 초기량이 용기에 첨가되어 용기에 PCM 저장소를 형성할 수 있다. 배터리 스택은 적어도 부분적으로 PCM 저장소에 잠길 수 있다. 액체 상변화 물질의 초기 양은 약 10 밀리리터 내지 약 100 밀리리터일 수 있다. 초기 양은 배터리 셀 손상 또는 기타 바람직하지 않은 온도 상승의 경우 충분한 비상 냉각을 제공하기에 충분한 액체 PCM이 있도록 선택될 수 있다. 초기 양은 PCM에 대한 기화 잠열 및 배터리 서브모듈의 미리 결정된 예상 전압 출력에 기초하여 결정될 수 있다.

단계 S606에서, 배터리 서브모듈의 전압 출력을 평가하기 위해 하나 이상의 테스트 방법을 사용하여 배터리 서브모듈의 성능을 테스트할 수 있다.

단계 S608)에서, 배터리 서브모듈의 성능(예를 들어, 전압 출력)은 미리 정해진 임계값과 비교될 수 있다.

단계 S610에서, 비교 결과에 기초하여, 용기에 더 많은 액체 상변화 물질을 추가하거나 용기로부터 액체 상변화 물질을 제거함으로써 액체 상변화 물질의 양을 조정할 수 있다. 예를 들어, 테스트/측정된 전압 출력이 미리 정해진 임계값보다 큰 경우 배터리 서브 모듈은 더 많은 열을 생성할 수 있다. 이 경우 전체 PCM의 열 흡수 능력을 높이기 위해 액체 PCM을 추가로 용기에 첨가할 수 있다. 테스트/측정된 전압 출력이 미리 정해진 임계값 미만인 경우 배터리 서브 모듈의 열 발생 능력이 감소될 수 있다. 이 경우, 감소된 흡열 용량으로도 충분할 수 있으므로 일부 액체 PCM을 용기로 제거할 수 있으며, 배터리 서브 모듈의 중량을 줄이는 데 유리할 수 있다. 원하는 수준의 액체 상변화 물질이 달성되면 용기를 밀봉할 수 있다.

어떤 실시예에서, 단계 S608에서 미리 결정된 양의 액체 상변화 물질이 제거되거나 추가될 수 있다. 1 밀리리터, 5 밀리리터, 10 밀리리터, 15 밀리리터, 20 밀리리터, 25 밀리리터, 또는 30 밀리리터와 같은 임의의 적합한 미리 결정된 양이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 제거되거나 추가될 액체 상변화 물질의 양은 테스트된 성능과 미리 결정된 임계값 사이의 차이에 기초하여 계산될 수 있다.

도 7은 각종 실시예에 따라 하나 이상의 PCM 층을 갖는 예시적인 배터리 서브모듈을 제조하기 위한 단계의 예시적인 흐름도를 도시한다. 단계 702에서, 하나 이상의 배터리 셀을 적층함으로써 배터리 스택이 형성된다. 어떤 실시예에서, 배터리 스택은 또한 배터리 셀들 사이에 단열층들의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다.

단계 S704에서는, 배터리 손상시, 하나 이상의 배터리 셀들로부터 방출될 에너지 레벨을 계산한다. 단일 배터리 셀 손상, 두 개의 배터리 셀 손상, 모든 배터리 셀 손상 또는 기타 적절한 수의 배터리 셀 손상에 대해 계산될 수 있다. 계산은 하나 이상의 배터리 셀에 저장된 에너지의 총량 및 하나 이상의 배터리 셀의 최대 전압 출력과 같은 하나 이상의 배터리 셀의 특정 특성 및 구성에 기초할 수 있다. 어떤 실시예에서, 계산은 배터리 손상 테스트 동안 방출된 에너지를 측정하는 것을 포함할 수 있다.

단계 S706에서, 손상 시 배터리 스택에서 방출되는 계산된 에너지 준위 및 상변화 물질의 하나 이상의 특성들에 기초하여 하나 이상의 상변화 물질층의 두께가 결정된다. 예를 들어, 상변화 물질의 용융 공정 동안 얼마나 많은 열 에너지가 흡수되는지를 기술하는 상변화 물질의 융해 잠열은, 하나 이상의 상변화 물질의 두께를 결정하도록 사용될 수 있다. 충분한 양의 상변화 물질이 포함되도록 두께가 구성될 수 있다. 어떤 실시예에서, 하나의 배터리 셀이 손상되거나, 두 개의 배터리 셀이 손상되거나, 모든 배터리 셀이 손상되거나, 또는 임의의 다른 적합한 수의 배터리 셀들이 손상되는 경우 방출될 에너지 양을 흡수하기에 충분한 양의 상변화 물질을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 어떤 실시예에서, 상변화 물질의 양은, 열 폭주가 방지되도록 배터리 손상 동안 방출된 에너지를 충분히 흡수하도록 설정될 수 있다. 이는 일부 열 에너지가 소산될 수 있고 배터리 서브모듈 내의 일부 온도 상승이 허용될 수 있기 때문에 배터리 셀 손상 시 방출되는 총 에너지 양보다 적을 수 있다.

단계 S708에서, 하나 이상의 상변화 물질층이 배터리 스택에 삽입된다. 하나 이상의 상변화 물질층의 두께는 단계 S706에서 결정된 양일 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 배터리 셀들 사이에 하나 이상의 상변화 물질층이 삽입될 수 있다. 하나 이상의 상변화 물질 층은 또한, 배터리 스택의 저면, 상면 또는 측면에 추가될 수 있다. 어떤 실시예에서, 배터리 스택은 하나 이상의 상변화 물질 층에 싸일 수 있다(예를 들어, 둘러싸일 수 있다). 어떤 실시예에서, 단계 S702 및 단계 S708은 하나 이상의 배터리 셀을 적층하는 과정에서 상변화 물질층이 추가되도록 동시에 수행될 수 있다.

단계 S710에서, 배터리 스택 및 상변화 물질층은 용기에 삽입되어 배터리 서브모듈을 형성할 수 있다.

실시예들은 특히 종래의 단열 재료와 비교할 때 최소량의 부피를 차지하면서 배터리 서브모듈에서 과도한 열을 흡수하는 PCM 층을 제공한다. 이 특성은 항공기(예컨대: 전기 항공기)에 사용되는 배터리에 특히 중요한다. 전기 항공기는 엄격한 부피 및 중량 제한을 받을 수 있다. 기존의 단열재 대신 PCM 레이어를 사용하면 효율적인 방식으로 부피 및 무게 제약을 충족할 수 있다.

본 발명이 특정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 개시 내용에 접근할 수 있는 당업자는 변형 및 수정이 가능함을 이해할 것이다. 본 명세서에 기술된 배터리 서브모듈은 임의의 수의 배터리 셀을 포함할 수 있고, 시스템 및 프로세스는 다양한 배터리 기술들을 사용하여 구현되는 셀에 적응될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 모든 수치는 예시를 위한 것이며 변경될 수 있음을 이해해야 한다. 어떤 경우에는 척도의 관점을 제공하기 위해 범위가 지정되지만, 공지된 범위 밖의 수치 값은 배제되지 않는다.

본 명세서의 모든 도면들은 도식적인 것으로 의도된 것임을 또한 이해해야 한다. 달리 구체적으로 나타내지 않는 한, 도면은, 도면에 표시된 요소의 특정 물리적 배열을 암시하거나 표시된 모든 요소가 필요하다는 것을 의미하지 않는다. 본 개시내용에 접근할 수 있는 당업자는 본 개시내용에서 도면에 도시되거나 달리 설명된 요소가 수정되거나 생략될 수 있고 도시되거나 설명되지 않은 다른 요소가 추가될 수 있음을 이해할 것이다.

상기 설명은 예시적인 것이며 한정적이지 않다. 본 개시 내용을 검토하면 본 발명의 많은 변형이 당업자에게 명백해질 것이다. 따라서, 특허의 보호 범위는 위의 설명을 참조하여 결정되는 것이 아니라 전체 범위 또는 등가물과 함께 다음의 청구범위를 참조하여 결정되어야 한다.

Claims

배터리 서브모듈로서,
용기;
상기 용기 내에 제공된 하나 이상의 배터리 셀들로 형성된 배터리 스택; 및
상기 용기 내에 제공되는 상변화 물질을 포함하고, 상기 상변화 물질은 상기 배터리 스택으로부터 방출되는 열을 흡수하도록 구성되는, 배터리 서브모듈.
제1항에 있어서, 상기 상변화 물질은, 상기 하나 이상의 배터리 셀들과 함께적층되는 상변화 물질의 하나 이상의 고체층들을 포함하는, 배터리 서브모듈.
제2항에 있어서, 상기 상변화 물질의 하나 이상의 고체층들이 하나 이상의 배터리 셀들 사이에 제공되는, 배터리 서브모듈.
제2항에 있어서, 상기 상변화 물질의 하나 이상의 고체층들은 배터리 스택의 상부 또는 저면에 제공되는, 배터리 서브모듈.
제2항에 있어서, 상기 상변화 물질의 하나 이상의 고체층들은 배터리 스택의 하나 이상의 측면에 제공되는, 배터리 서브모듈.
제1항에 있어서, 상기 상변화 물질은, 상기 용기 내에 제공된 미리 결정된 양의 액체 상변화 물질을 포함하고, 상기 배터리 스택은 상기 액체 상변화 물질에 적어도 부분적으로 침지되는, 배터리 서브모듈.
제6항에 있어서, 상기 미리 결정된 양은 약 1 밀리리터 내지 약 30 밀리리터인, 배터리 서브모듈.
제1항에 있어서, 하나 이상의 배터리 셀과 함께 적층된 하나 이상의 절연층들을 더 포함하는, 배터리 서브모듈.
제1항에 있어서, 상기 상변화 물질은 상기 용기에서 상기 배터리 스택을 둘러싸는, 배터리 서브모듈.
제1항에 있어서, 상기 배터리 스택의 적어도 하나의 층은 상변화 물질로 함침되는, 배터리 서브모듈.
제10항에 있어서, 상기 상변화 물질은 팽창성 코팅을 포함하는, 배터리 서브모듈.
제1항에 있어서, 상기 용기는 상기 배터리 스택 및 그 안에 제공된 상변화 물질을 압축하도록 구성된, 배터리 서브모듈.
제1항에 있어서, 상기 상변화 물질은, 상기 배터리 서브모듈이 열폭주하는 임계 온도 미만의 특정 온도에서 상변화하는 물질을 포함하는, 배터리 서브모듈.
제1항에 따른 배터리 서브모듈의 제조 방법으로서,
손상 시 배터리 스택으로부터 방출되는 에너지를 계산하는 단계; 및
상변화 물질의 융해 잠열 및 배터리 스택으로부터 방출될 에너지의 양에 기초하여 상변화 물질 층의 두께를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
하나 이상의 배터리 셀들로 구성되는 배터리 스택을 배터리 서브모듈을 형성하는 용기에 삽입하는 단계; 및
배터리 스택의 적어도 일부가 액체 상변화 물질에 침지되도록 액체 상변화 물질을 용기에 첨가하는 단계를 포함하며, 상기 액체 상변화 물질은 배터리 스택으로부터 방출되는 열을 흡수하도록 구성되는, 방법.
제15항에 있어서,
배터리 서브모듈의 성능을 시험하는 단계;
배터리 서브모듈의 성능을 미리 결정된 임계값과 비교하는 단계; 및
상기 비교에 기초하여 액체 상변화 물질의 양을 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제16항에 있어서, 상기 조정하는 단계는,
추가적인 액체 상변화 물질을 용기에 첨가하는 단계; 또는
용기로부터 액체 상변화 물질의 적어도 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제17항에 있어서, 상기 조정하는 단계는, 배터리 서브모듈의 성능이 미리 결정된 임계값을 초과할 때 용기에 추가적인 액체 상변화 물질을 추가하는 단계를 포함하고, 조하는 단계는, 배터리 서브모듈의 성능이 미리 결정된 임계값을 충족하지 못할 때 용기로부터 액체 상변화 물질의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하는 방법.
제17항에 있어서, 미리 결정된 양의 액체 상변화 물질이 용기에 첨가되거나 또는 미리 결정된 양의 액체 상변화 물질이 용기로부터 제거되는, 방법.
제16항에 있어서, 상기 성능은 전압 출력이고, 상기 미리 결정된 임계값은 예상 전압 출력인, 방법.