KR101563783B1 - 배터리 장치 - Google Patents

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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 적어도 2개의 서로 연결된 배터리 모듈들 및 배터리 모듈들을 냉각하기 위해 2개의 배터리 모듈들 사이에 배치된 하나 이상의 냉각 플레이트를 구비한 배터리 장치에 관한 것이다. 여기서, 본 발명에서는 배터리 장치를 감싸는 하우징이 프레임 구조체를 구비하는 것이 중요하고, 하나 이상의 냉각 플레이트는 유체가 관류하고 서로 연결된 2개의 금속 층들로 형성되어 있으며, 하나 이상의 냉각 플레이트는 적어도 냉각 플레이트의 단부측들을 통해 프레임 구조체에 견고하게 연결되어 프레임 구조체를 강화시킨다. 이렇게 하여, 고출력을 내며 견고한 배터리 장치가 제공될 수 있다.

Description

배터리 장치{BATTERY DEVICE}
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른, 적어도 2개의 서로 연결된 배터리 모듈들과, 두 배터리 모듈들 사이에 배열된 하나 이상의 냉각 플레이트를 구비한 배터리 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 유형의 배터리 장치를 구비한 자동차에 관한 것이다.
문헌 US 2011/0212355 A1은 복수의 서로 연결된 배터리 모듈들과 배터리 모듈들을 냉각시키기 위해 상기 배터리 모듈들 사이에 배열된 복수의 냉각 플레이트들을 구비한 일반적인 배터리 장치를 개시한다.
문헌 US 2011/0162821 A1은 태양 전지를 냉각하기 위한 냉각 시스템을 개시한다.
문헌 US 6,821,671 B2는 또한 복수의 배터리 모듈들 또는 배터리 셀들을 구비한 배터리 장치를 개시하고, 유체가 관류하지 않는 냉각 핀 형태로 냉각 플레이트들은 개개의 배터리 셀들 사이에 배열되어 있다. 여기서, 냉각 핀들은 동시에 배터리 장치를 강화시키는 역할을 하지만, 배터리 셀들과 직접 접촉하지는 않는다.
문헌 DE 10 2008 034 863 B4는 배터리, 특히 직렬 또는 병렬로 서로 연결된 복수의 각각의 셀들과 극(pole)측에서 각각의 셀들에 배열되고 배터리 하우징에 고정된 냉각 플레이트를 구비한 리튬-이온 배터리를 개시한다. 여기서, 냉각 플레이트는 적어도 부분적으로 수평으로 이동 가능하도록 복수의 고정 지점들에서 배터리 하우징에 고정되고, 이에 따라 배터리 하우징으로부터 적어도 특정의 규모로 분리되어 배터리 하우징과 독립적으로 이동 가능하다.
본 발명은 일반적인 유형의 배터리 장치에서 특히 높은 수준의 고유 강성 및 고출력을 특징으로 하는 개선된 실시예를 제공하는 문제를 다룬다.
상기 문제점은 독립항들의 대상을 통해 본 발명에 따라 해결된다. 바람직한 실시예들은 종속항들의 대상이다.
본 발명은 배터리 장치의 일반적인 개념을 기초로 하고, 이 배터리 장치는 서로 평행하게 장착되고 서로 연결된 복수의 배터리 모듈들을 구비하고, 추가적으로 배터리 모듈들 사이에 배열된 냉각 플레이트들을 구비하며, 상기 냉각 플레이트들은 서로 연결된 2개의 금속 층들로 형성되어 있고, 상기 냉각 플레이트들은 유체가 관류하고 동시에 적어도 냉각 플레이트들의 단부측들에 의해 배터리 장치의 하우징의 프레임 구조체에 견고하게 연결되어 있어서, 추가적으로 상기 프레임 구조체에 강성을 부여한다. 배터리 장치는 배터리 장치를 감싸는 하우징을 구비하고, 하우징은 상술한 프레임 구조체를 구비하고, 개개의 냉각 플레이트는 적어도 냉각 플레이트의 단부측들에 의해, 특히 나사를 통해 프레임 구조체에 연결되어 있고, 따라서 프레임 구조체를 강화시킨다. 여기서, 개개의, 바람직하게는 평행한 냉각 플레이트들 사이에는 각각 복수의 배터리 셀들을 구비한 배터리 모듈들이 배열되어 있고, 배터리 모듈들은 냉각 플레이트들과 직접 접촉하거나 적어도 열 전달에 의해 접촉한다. 개개의 배터리 모듈들과 프레임 구조체의 직접적인 연결이 꼭 필요하지는 않지만 제공될 수 있고, 배터리 장치의 사용 중에 발생하는 온도 변화에 의해 배터리 모듈들이 팽창 및 수축하기 때문에 배터리 모듈들 자체는 프레임 구조체를 강화시키는데 이용되어서는 안되고, 따라서 일부 상황들에서 프레임 구조체에 고정되게 연결된 경우에는 손상될 수 있다. 개개의 냉각 플레이트들을 각각 서로 연결된 적어도 2개의 금속 층들로 형성한 결과, 냉각 플레이트들 자체는 이미 매우 강성으로 형성될 수 있고, 이에 따라 결국 프레임 구조체 및 배터리 장치의 강도가 증가될 수 있다. 또한, 유체가 관류하는 냉각 플레이트들을 통해, 중간에 배열된 개개의 배터리 모듈들의 효과적인 냉각이 가능하고, 이에 따라 상기 배터리 모듈들은 또한 오랜 시간 동안 최대 출력으로 작동될 수 있다.
본 발명에 따른 해결 수단의 바람직한 구현예에서, 하나 이상의 냉각 플레이트의 두 금속 층들은 강 또는 알루미늄으로 형성된다. 여기서, 강은 강의 높은 고유 강도로 인해 특히 바람직한 방식으로 배터리 장치를 강화시키기에 적합한 비교적 강성의 재료이다. 더욱이, 강은 양호한 열 전도체로서도 제공되어서 우수한 냉각 작용이 냉각 플레이트들로부터 냉각될 배터리 모듈들에 전달될 수 있다. 반면에, 하나 이상의 냉각 플레이트의 2개의 층들을 알루미늄으로 형성하는 것은 마찬가지로 배터리 장치를 강화시키는데 도움이 되고, 알루미늄은 강보다 상당히 가볍고, 특히 전기 모터에 의해서만 작동되는 자동차의 경우에 주행 범위를 증가시킨다. 알루미늄의 높은 열 전도성으로 인해 또한 상기 재료로 양호한 열 전달과 배터리 모듈들의 양호한 냉각이 달성될 수 있다.
하나 이상의 냉각 플레이트는 편의상 관련된 배터리 모듈보다 더 길다. 이는, 배터리 모듈을 지나서 돌출된 영역에, 냉각 플레이트의 입구와 출구가 배열될 수 있다는 큰 이점을 제공하고, 상기 입구와 출구는 모두 냉각 플레이트가 배터리 장치안에 설치될 때 프레임 구조체 안에 위치하여 특히 양호하게 보호되고 또한 설치 공간면에 최적의 방식으로 배열되어 있다. 이를 통해 개개의 냉각 플레이트들의 배치 및/또는 배향에 따라, 개개의 냉각 플레이트들이 분지된 방식으로 배열되어 있는 하나의 중심 입구 및 하나의 중심 출구를 만드는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 해결 수단의 다른 바람직한 실시예에서, 프레임 구조체를 둘러싸는 하우징 쉘이 구비되고, 하우징 쉘은 플라스틱 또는 금속, 특히 강 또는 알루미늄으로 형성되어 있다. 이러한 유형의 하우징 쉘은 개개의 배터리 모듈들이 먼지로부터 보호되도록 하우징 안에 배열되는 효과를 갖고, 이는 특히 배터리 장치가 자동차의 하부측에 장착되어 있고 거기서 도로의 먼지에 직접 노출되어 있는 경우에 매우 유리하다. 여기서, 플라스틱으로 구성된 하우징 쉘의 형성은 비교적 경량일 뿐만 아니라 (이는 특히 전기 또는 하이브리드 자동차의 경우에 매우 유리하다) 돌에 의한 충격에 대해 일정 수준의 보호를 제공하고, 또한 부식에 대한 저항성이 있어서, 이는 특히 자동차의 하부측에 배치된 경우에 상당한 장점이 된다.
본 발명은 또한 상기 유형의 배터리 장치를 구비한 전기 모터를 자동차에 장착하고 상기 배터리 장치의 하우징 쉘을 자동차 하부측의 형태에 적응시키는 일반적인 개념에 기초한다. 이렇게 하여 자동차 아래의 배터리 장치의 형상 결합 배치와 이로 인한 설치 공간면에서 최적화된 배치가 달성될 수 있는데, 예를 들어 하우징 쉘은 그 곳에서 발생하는 하중을 문제없이 견딜 수 있는 경질 플라스틱 쉘로 형성되어 있다. 여기서, 배터리 모듈들은 최대로 가능한 수의 배터리 모듈들이 가능한 최소 부피의 하우징 쉘에 수용되도록 하우징 쉘 안에 배열되어 있다.
종속항들, 도면들 및 도면들을 기초로 한 도면들의 해당 설명으로부터 본 발명의 다른 중요한 특징들 및 장점들이 제공된다.
상기 명시된 특징들 및 하기에 더 설명될 특징들은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 각각 제공된 조합으로 뿐만 아니라, 다른 조합들로 또는 개별적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 도면들에 도시되고, 하기의 설명에 더 상세하게 기술되며, 여기서 동일한 도면 부호들은 동일하거나 유사하거나 기능적으로 동일한 부품들을 표시하는데 이용된다.
도 1은 투명한 하우징 쉘을 구비한 본 발명에 따른 배터리 장치의 개략도.
도 2는 하우징 쉘이 없는 도 1에 따른 개략도.
도 3은 배터리 장치의 가능한 하우징 쉘의 개략도.
도 4는 배터리 장치를 장착한 본 발명에 따른 자동차의 프레임을 도시한 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 배터리 장치의 자동차에의 가능한 설치 상태를 도시한 개략도.
도 1 및 도 2에 상응하도록, 본 발명에 따른 배터리 장치(1)는 복수의 서로 연결된 배터리 모듈들(2)을 포함하고, 이어서 배터리 모듈들은 각각 복수의 개개의 배터리 셀들을 구비한다. 여기서, 적어도 2개의 상기 배터리 모듈들(2) 사이에는, 배터리 모듈들(2)을 냉각시키기 위한, 유체가 관류하는 냉각 플레이트(3)가 배열되어 있다. 마찬가지로, 배터리 장치(1)를 감싸고 실질적으로 프레임 구조체(5) 및 상기 프레임 구조체(5)를 감싸는 하우징 쉘(6)로 구성된 하우징(4)(도 3 참조)이 구비된다. 본 발명에 따르면, 냉각 플레이트(3)는 여기서, 예를 들면 도 1에 따라 단면도로 도시된 것처럼 서로 연결된 2개의 금속 층들(7, 8)로 형성되고, 또한 냉각 플레이트(3)는 적어도 냉각 플레이트의 단부측들을 통해 프레임 구조체(5)와 견고하게 연결되어 있어 프레임 구조체를 강화시킨다. 특히 도 2를 참조하면, 상기 도면에 두드러지게 표시된 냉각 플레이트(3)로부터, 상기 냉각 플레이트는 냉각 플레이트의 각각의 단부측들을 통해 프레임 구조체(5)의 프레임부(9) 또는 프레임부(9')에 연결되어 있어서 2개의 프레임부들(9, 9')을 서로에 대해 강화시킨다는 것을 알 수 있다. 따라서 냉각 플레이트(3)는 방열, 즉 냉각 효과를 나타낼 뿐만 아니라, 추가적으로 프레임 구조체(5)를 강화시켜 배터리 장치(1)를 강화시킨다. 본 발명에 따라 유체 밀봉 방식으로 서로 연결된 2개의 금속 층들(7, 8)로 냉각 플레이트(3)를 형성한 결과, 냉각 플레이트(3)는 높은 굽힘 강도(flexural stiffness)를 나타내고, 따라서 특히 강성을 부여하는데 아주 적합하다.
프레임 구조체(5) 및/또는 냉각 플레이트(3)의 금속 층들(7, 8)을 위한 재료로서, 특히 강 또는 알루미늄이 고려된다. 냉각 플레이트들(3)과 각각의 프레임부들(9, 9'), 또는 일반적으로는 프레임 구조체(5) 사이의 연결은 예를 들면 나사 연결을 통해 실현될 수 있고, 여기서 또한 용접을 대안적으로 생각해볼 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 냉각 플레이트(3)는 관련된 배터리 모듈(2)보다 상당히 길게, 열로 배열된 2개의 배터리 모듈들(2)보다 훨씬 길게 형성되어 있어, 냉각 플레이트(3)는 각각의 배터리 모듈(2)을 지나서 돌출된 영역(10)을 갖는다는 것을 알 수 있다. 상기 돌출 영역(10)에는, 각각의 냉각 플레이트(3)를 위한 입구(11)와 출구(12)가 배열되고, 돌출 영역(10)을 통해 입구(11)와 출구(12) 모두는 프레임 구조체(5) 안에, 보호 방식(protected manner)으로 배열되어 있다.
도 3을 참조하면, 전체 배터리 장치(1)는 배터리 장치를 둘러싸거나 감싸는 하우징 쉘(6)로 둘러싸여 있다는 것을 알 수 있고, 하우징 쉘은 플라스틱이나 금속, 특히 강 또는 알루미늄으로 형성되어 있을 수 있다. 여기서, 스테인리스이며 동시에 경량 재료, 예를 들면 알루미늄이나 플라스틱으로 형성된 실시예는 특히 자동차 분야에서 사용하기에 바람직하다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 배터리 장치(1)가 하부측에 배열될 수 있는 자동차(13), 또는 자동차의 차체를 도시한다. 또한, 여기서 자동차(13)는 예를 들면 전기 또는 하이브리드 자동차 형태일 수 있고, 따라서 구동력을 제공하는 전기 모터(14)를 포함한다. 가능한 한 자동차(13)에서 배터리 장치(1)의 배치 공간을 줄이기 위해, 배터리 장치(1)의 하우징 쉘(6)은 자동차(13) 하부측의 형태에 맞추어진다. 여기서, 하우징 쉘(6)은 또한 공기역학적 측면에서 최적화되어 있을 수 있다. 배터리 장치(1)의 도로에 근접한 배치를 통해, 예를 들면 플라스틱으로 형성된 실시예는, 상기의 실시예가 돌에 의한 충격에 둔감하고 또한 부식에 영향을 받지 않기 때문에 하우징 쉘(6) 용으로 권장된다.
본 발명에 따른 배터리 장치(1)를 이용함으로써, 특히 전기 또는 하이브리드 자동차는, 강성이며 또한 견고한 에너지 공급 장치를 갖는 것이 가능하고, 이 에너지 공급 장치는 효과적인 냉각으로 인해 특히 고출력을 낸다. 여기서 2개 층의 냉각 플레이트들(3)을 통해 증가된 냉각 작용 및 향상된 강도가 얻어진다.

Claims (10)

  1. 적어도 2개의 서로 연결된 배터리 모듈들(2) 및 배터리 모듈들(2)을 냉각하기 위한, 2개의 배터리 모듈들(2) 사이에 배열된 하나 이상의 냉각 플레이트(3)를 구비한 배터리 장치(1)에 있어서,
    배터리 장치(1)를 감싸는 하우징(4)은 프레임 구조체(5)를 구비하고, 상기 하나 이상의 냉각 플레이트(3)는 유체가 관류하고 서로 연결된 2개의 금속 층들(7, 8)로 형성되고, 상기 하나 이상의 냉각 플레이트(3)는 적어도 냉각 플레이트의 단부측들에 의해 프레임 구조체(5)에 연결되어 프레임 구조체(5)를 강화시키는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 냉각 플레이트(3)의 2개의 금속 층들(7, 8)은 강 또는 알루미늄으로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 냉각 플레이트(3)는 프레임 구조체(5)에 나사 체결되는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 냉각 플레이트(3)는 관련된 배터리 모듈(2)보다 더 긴 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  5. 제4항에 있어서, 하나 이상의 냉각 플레이트(3)는, 배터리 모듈(2)을 지나서 돌출된 냉각 플레이트의 영역(10)에, 냉각 플레이트(3)가 배터리 장치(1)에 설치될 때 프레임 구조체(5) 안에 위치되는 출구(12) 및 입구(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 프레임 구조체(5)를 둘러싸는 하우징 쉘(6)이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  7. 제6항에 있어서, 하우징 쉘(6)은 플라스틱 또는 금속으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
  8. 전기 모터(14) 및 제1항 또는 제2항에 따르는 배터리 장치(1)를 구비한 자동차(13).
  9. 제8항에 있어서, 배터리 장치(1)의 하우징 쉘(6)은 자동차(13)의 하부측 형태에 맞춰지는 것을 특징으로 하는 자동차.
  10. 제8항에 있어서, 자동차(13)는 전기 또는 하이브리드 차량으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차.
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