KR101905049B1 - 냉각 및 조립 보조물이 일체화된 다중 전지 배터리 모듈 - Google Patents

냉각 및 조립 보조물이 일체화된 다중 전지 배터리 모듈 Download PDF

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Abstract

배터리 팩은 프레임 부재(200), 제1 및 제2 리튬 이온 전지(400) 및 격리판(404)을 포함한다. 프레임 부재(200)는 플로어(212), 플로어(212)에 대해 수직하게 형성된 벽체(204, 208, 216) 및 벽체에 의해 형성되는 개구를 포함한다. 프레임 부재는 전기 비도전성 플라스틱으로 형성된다. 제1 리튬 이온 전지(400)는 제1 양극 단자, 제1 음극 단자 및 제1 전기 도전성 하우징을 포함한다. 제1 양극 단자는 제1 전기 도전성 하우징(104)에 전기적으로 접속된다. 제2 리튬 이온 전지는 제2 양극 단자, 제2 음극 단자 및 제2 전기 도전성 하우징을 포함한다. 제2 양극 단자는 제2 전기 도전성 하우징에 전기적으로 접속된다. 격리판은 제1 및 제2 전기 도전성 하우징들 모두와 직접 접촉하며, 제2 전기 도전성 하우징으로부터 제1 전기 도전성 하우징을 전기적으로 격리시킨다. 격리판은 전기 비도전성 플라스틱으로 형성된다.

Description

냉각 및 조립 보조물이 일체화된 다중 전지 배터리 모듈{MULTI-CELL BATTERY MODULE WITH INTEGRAL COOLING AND ASSEMBLY AIDS}
관련 출원에 대한 교차 참조
본원은 2010년 12월 20일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 61/424,825호 및 2011년 12월 19일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제 13/329,858 호를 우선권 주장한다. 상기 우선권 출원들에 개시된 내용 전체를 원용하여 본 명세서에 포함한다.
본 발명은 차량용 배터리 팩에 관한 것으로, 구체적으로는 프리즘 전지를 위한 배터리 팩 시스템에 관한 것이다.
여기에 제공된 배경 기술에 대한 설명은 발명의 맥락을 개괄적으로 제시하는 것을 목적으로 한다. 출원 당시 선행 기술로 인정되지 않을 수도 있는 발명의 양태뿐만 아니라, 배경 기술 항목에 개시된 범위까지, 현재 유명한 발명자들의 저작물은 본 발명에 대한 선행 기술로서 명시적으로 또는 암시적으로 인정되지 않는다.
하이브리드 전기 차량(HEV)과 플러그인 HEV는 동력을 제공하기 위해 다중의 추진 시스템을 사용한다. 추진 시스템은 하나 이상의 배터리 팩으로부터 전력을 수취하는 전기 또는 배터리 구동 시스템을 포함할 수 있다. 배터리 팩은, 예컨대, 리튬 이온 전지와 같은 고전압 전지(또는 배터리)들을 포함하는 하나 이상의 저장소(bank)들을 포함할 수 있다. 전지들은 배터리 팩의 용적 구축 블록들이다.
전지(cell)의 작동 온도는 전지의 수명과 성능(충전 및 방전 효율)에 영향을 미칠 수 있다. 소정의 작동 온도 범위 이내에서 전지의 작동 온도를 조절하면, 전지의 수명과 성능을 극대화할 수 있다.
그러나, 배터리 팩 내에서, 전지들의 작동 온도가 전지마다 다를 수 있다. 다양한 이유로 인해 배터리 팩의 전지들 간에 온도 변화가 발생할 수 있다. 예컨대, 전지들 간의 제조상의 차이, 배터리 팩 내에서 전지들 간의 위치 차이, 각 전지의 열 경로상의 차이 및 다른 이유들로 인해, 온도 변화가 발생할 수 있다. 배터리 팩의 각 전지들을 소정의 작동 온도 범위 이내로 유지하는 것이 곤란할 수 있다.
배터리 팩은 프레임 부재, 제1 및 제2 리튬 이온 전지 및 격리판을 포함한다. 프레임 부재는 플로어, 플로어에 대해 수직하게 형성된 벽체 및 벽체에 의해 형성되는 개구를 포함한다. 프레임 부재는 전기 비도전성 플라스틱으로 형성된다. 제1 리튬 이온 전지는 제1 양극 단자, 제1 음극 단자 및 제1 전기 도전성 하우징을 포함한다. 제1 리튬 이온 전지는 프레임 부재의 벽체들 사이에 배치된다. 제1 양극 단자는 제1 전기 도전성 하우징에 전기적으로 접속된다. 제2 리튬 이온 전지는 제2 양극 단자, 제2 음극 단자 및 제2 전기 도전성 하우징을 포함한다. 제2 리튬 이온 전지는 프레임 부재의 벽체들 사이에 배치된다. 제2 양극 단자는 제2 전기 도전성 하우징에 전기적으로 접속된다. 격리판은 제1 및 제2 전기 도전성 하우징들 모두와 직접 접촉하며, 제2 전기 도전성 하우징으로부터 제1 전기 도전성 하우징을 전기적으로 격리시킨다. 격리판은 전기 비도전성 플라스틱으로 형성된다.
다른 특징으로서, 배터리 팩은 프레임 부재에 일체로 형성된 냉각 시스템을 더 포함한다. 냉각 시스템은 프레임 부재에 형성된 냉각제 입구 및 출구 포트들을 포함하고, 프레임 부재를 관통하여 형성되어 냉각제 입구 및 출구 포트들을 연결하는 냉각제 채널을 포함한다.
또 다른 특징으로서, 배터리 팩은 N개의 다른 리튬 이온 전지들을 더 포함하며, 상기 N개의 다른 리튬 이온 전지들은 양극 단자와 음극 단자를 각각 포함하고, 전기 도전성 하우징을 각각 포함하며, 프레임 부재의 벽체들 사이에 각각 배치된다. N개의 다른 리튬 이온 전지들의 각 양극 단자는 해당 전지의 전기 도전성 하우징에 전기적으로 접속된다. N은 제로보다 큰 정수이다. 배터리 팩은 각각의 전기 도전성 하우징들과 제1 및 제2 전기 도전성 하우징들을 서로로부터 전기적으로 격리시키는 M개의 다른 격리판을 더 포함한다. M은 제로보다 큰 정수이며, N과 동일하거나 그보다 작다.
다른 특징으로서, 배터리 팩은, 프레임 부재의 벽체들 중 하나의 외면에 형성된 P개의 다른 스냅 결합 요소로, P는 0보다 큰 정수이고; 스냅 결합 요소와 인터페이싱하는 단부판으로서, 당해 단부판이 스냅 결합 요소와 인터페이싱할 때 상기 외면과 당접하여 유지되는 단부판; 프레임 부재와 단부판을 둘러싸는 벨트; 및 제1 및 제2 리튬 이온 전지에 대해 압축력을 인가하기 위해 벨트를 이동시키는 압착/구속 요소를 더 포함한다.
배터리 팩의 프레임 부재는 상부 프레임 부재와 하부 프레임 부재를 포함한다. 상부 프레임 부재는 복수의 전지를 위한 플로어를 포함하고, 플로어에 대해 수직하게 형성된 벽체를 포함하며, 벽체에 의해 형성되는 개구를 포함하고, 상부 프레임 부재에 형성된 냉각제 입구 및 출구 포트들을 포함하며, 냉각제 입구 포트를 냉각제 출구 포트에 연결하는 냉각제 채널의 제1 부분을 포함한다. 상부 프레임 부재는 전기 비도전성 플라스틱으로 형성된다. 하부 프레임 부재는 냉각제 채널의 제2 부분을 포함하며, 냉각제 채널을 밀봉하기 위해 상부 프레임 부재에 결합된다. 하부 프레임 부재도 전기 비도전성 플라스틱으로 형성된다.
다른 특징으로서, 하부 프레임 부재는 상부 프레임 부재에 용접된다.
또 다른 특징으로서, 프레임 부재는 상부 프레임 부재에 하부 프레임 부재를 결합하는 접착제를 더 포함한다.
또 다른 특징으로서, 전기 비도전성 플라스틱은 폴리프로필렌(PPE)이다.
또 다른 특징으로서, 상부 프레임 부재는 사출 성형을 이용하여 형성되며, 하부 프레임 부재는 사출 성형을 이용하여 형성된다.
후술하는 상세한 설명으로부터 본 발명의 다른 적용 분야들이 명백해질 것이다. 상세한 설명과 구체적인 실시예들은 단지 예시를 목적으로 하고 있으며 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것이 아님을 이해하여야 한다.
첨부 도면과 상세한 설명으로부터 본 발명을 보다 완전히 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 프리즘 전지의 사시도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 모듈형 프레임의 상부 프레임 부재의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 모듈형 프레임의 하부 프레임 부재의 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 상부 프레임 부재에 부착하기 위해 상부 프레임 부재 아래에 배치된 하부 프레임 부재를 포함한 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 상부 프레임 부재와, 하부 프레임 부재에 부착된 제2 상부 프레임 부재의 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 모듈형 프레임과 복수의 전지의 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 모듈형 프레임, 전지, 및 전지 압착/구속 시스템의 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 모듈형 프레임, 전지의 단자, 전지 압착/구속 시스템, 및 프레임 커버의 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 프레임 커버의 사시도이다.
도 12는 본 발명에 따른 모듈형 프레임, 전지 압착/구속 시스템, 프레임 커버, 및 단자 커넥터의 사시도이다.
도 13은 본 발명에 따른 모듈형 프레임, 전지 압착/구속 시스템, 프레임 커버, 및 단자 커버의 사시도이다.
도 14는 본 발명에 따른 단자 커버의 사시도이다.
도 15는 본 발명에 따른 벨트의 사시도이다.
이하의 설명에는, 배터리 팩을 위한 모듈형 프레임이 개시되어 있다. 이 모듈형 프레임은 예로서 기술된 것이며, 모듈형 프레임의 하나 이상의 특성이 특정 응용예에 기초하여 변경될 수 있다. 예를 들면, 모듈형 프레임은 다른 개수의 전지들을 수용하기 위해 대형화 또는 소형화될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 모듈형 프레임은 다른 크기 및/또는 형상을 가진 전지를 수용하기 위해 변경될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 모듈형 프레임은 모듈형 프레임 내에 다른 배열의 전지를 수용하기 위해 변경될 수 있다. 모듈형 프레임은 폴리프로필렌(PPE)과 같은 (전기) 비도전성 재료로 형성될 수 있다. 모듈형 프레임은 전지들을 서로로부터, 다른 시스템 구성요소로부터, 이재료 또는 물체로부터 격리시키는데 도움이 된다.
외부 냉각 시스템은 냉각제가 흐를 수 있는 하나 이상의 냉각제 채널을 포함한다. 하나 이상의 다른 외부 냉각 시스템이 배터리 팩에 제공될 수 있다. 예를 들어, 원하는 냉각 수준에 따라, 외부 냉각 시스템이 인접한 전지들 또는 인접한 전지 열들 사이에 삽입되거나, 및/또는 외부 냉각 시스템이 인접한 배터리 팩들 사이에 삽입될 수 있다. 냉각 시스템은 배터리 팩으로부터의 열 전달을 용이하게 하기 위해 알루미늄과 같은 전기 도전성 재료로 제조될 수 있다.
본 발명의 배터리 팩의 모듈형 프레임은 일체화된 냉각 시스템을 포함한다. 모듈형 프레임은 상부 프레임 부재와 하부 프레임 부재를 포함한다. 상부 프레임 부재는 냉각제 채널의 제1 부분을 포함하고, 하부 프레임 부재는 냉각제 채널의 제2 부분을 포함한다. 상부 및 하부 프레임 부재들은 용접 또는 접착제 등에 의해 함께 결합되어 냉각제 채널을 형성하여 밀봉한다.
상부 프레임 부재는 PPE와 같은 전기 비도전성 재료로 형성된다. 본 발명에 따른 모듈형 프레임의 하부 프레임 부재는 상부 프레임 부재와 동일한 전기 비도전성 재료로 형성된다. 알루미늄 하부 프레임 부재에 비해, 상부 프레임 부재와 동일한 전기 비도전성 재료로 형성된 하부 프레임 부재는 더 가볍고 더 저렴할 수 있다. 또한, 하부 프레임 부재가 알루미늄으로 제조되는 경우, 상부 프레임 부재와 하부 프레임 부재의 결합이 곤란할 수 있다.
배터리 팩 조립시, 하나 이상의 전지가 모듈형 프레임 내에 배치된다. 각각의 전지는 양극 단자, 음극 단자 및 전기 도전성 하우징을 갖는다. 각각의 전지의 양극 단자는 해당 전지의 하우징에 전기적으로 접속된다. 각각의 전지들은 전지들을 전기적으로 격리시키기 위해 전기 비도전성 재료로 포장될 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 팩 조립시, 각각의 전지들 사이에 격리판이 삽입된다. 2개의 인접한 전지들 사이에 삽입된 격리판은 전지들 모두와 직접 접촉하며, 전지들을 서로로부터 전기적으로 격리시킨다. 격리판은 상부 및 하부 프레임 부재들과 동일한 전기 비도전성 재료로 형성될 수 있다. 전기 비도전성 재료로 개별 포장된 전지들을 이용한 배터리 팩 조립체에 비해, 각각의 전지 사이에 격리판을 삽입한 배터리 팩 조립체가 시간을 덜 소비하고 덜 복잡할 수 있다.
도 1에는, 프리즘 전지(100)(이하, "전지"라 함)의 사시도가 도시되어 있다. 전지(100)는, 예컨대, 하우징(104)(또는 캔)을 구비한 직사각형 형상의 리튬 이온 전지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캔은 알루미늄 또는 다른 (전기) 도전성 재료로 형성될 수 있다.
전지(100)는 전지(100)로부터 연장된 한 쌍의 단자(108)를 포함한다. 단자(108)는, 예컨대, 원통형 단자, 나사형 단자, 평면 단자, 또는 다른 적합한 형상의 단자를 포함할 수 있다. 전지(100)는 충전될 수 있으며, 전지(100)로부터 단자(108)를 통해 전기 에너지가 인출될 수 있다. 단자(108)들 중 양극 단자는 하우징(104)에 접속될 수 있다. 전지(100)와 하나 이상의 다른 전지가 후술하는 바와 같이 직렬로, 병렬로, 또는 그 조합으로 접속될 수 있다.
전지(100)의 상면(116)에는 배기구(112)가 배치될 수 있다. 또한, 전지(100)는 바닥면(120)을 포함한다. 예컨대, 전지(100)가 과충전될 때, 배기구(112)가 개방되어 전지(100) 내부로부터 가스를 방출한다. 배기구(112)는 파열되는 멤브레인; 개방되는 밸브; 전지로부터 분리되는 플러그; 및/또는 하나 이상의 다른 적당한 배기 요소를 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 6에는, 배터리 팩의 예시적인 모듈형 프레임(200)의 다양한 부분들의 사시도가 도시되어 있다. 모듈형 프레임(200)은 상부 프레임 부재(202)(예컨대, 도 2 내지 도 4 및 도 6 참조)와 하부 프레임 부재(300)(예컨대, 도 5 및 도 6 참조)를 포함한다. 이제, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상부 프레임 부재(202)는 PPE와 같은 플라스틱 재료, 또는 다른 적당한 유형의 (전기) 비도전성 재료로 형성될 수 있다. 본 명세서에 기술된 상부 프레임 부재(202)의 특징을 포함하는 상부 프레임 부재(202)는 사출 성형 또는 다른 적당한 유형의 가공법을 통해 플라스틱 재료로 형성될 수 있다.
상부 프레임 부재(202)는 플로어(212)에 대해 수직하게 연장하는 제1 단부 벽체(204)와 제2 단부 벽체(208)를 포함한다. 또한, 상부 프레임 부재(202)는, 플로어(212)에 대해 수직하게 연장하며 제1 및 제2 단부 벽체(204, 208)에 대해 수직하게 연장하는 측벽(216)을 포함한다.
상부 프레임 부재(202)는 다중의 전지, 예컨대, 전지(100)와 하나 이상의 다른 전지를 수용하도록 구성되어 있다. 상부 프레임 부재(202)의 크기와 형상은 모듈형 프레임(200)에 다중의 전지와 격리판(예컨대, 도 7 참조)으로 이루어진 조립체를 수용하도록 구성되어 있다. 도 2 및 도 3의 예에서, 모듈형 프레임(200)은 전지(100)와 같은 전지를 6개 수용할 수 있다. 전지의 바닥부가 플로어(212) 상에 지지되며, 각 전지의 단자들은 상부 프레임 부재(202)의 개구(220)를 향해 연장된다. 전지의 단자들이 벽체(204, 208, 216)들 위로 연장될 수도 있다.
모듈형 프레임(200)은 일체형 냉각 시스템(224)을 포함한다. 냉각 시스템(224)은 모듈형 프레임(200)에 형성된 포트(228)를 포함한다. 모듈형 프레임(228)으로부터 포트(228)들 중 하나를 통해 냉각제가 흐른다. 다양한 구현예에서, 2개 이상의 포트(228)가 사용될 수 있다. 냉각제는 가스 냉각제(예컨대, 공기), 액체 냉각제, 상변화 냉각제, 또는 다른 적당한 유형의 냉각제를 포함할 수 있다. 예컨대, 냉각제 펌프(미도시) 또는 다른 배터리 팩의 모듈형 프레임의 냉각 시스템을 통해, 냉각제가 모듈형 프레임(200)으로 입력될 수 있다.
도 4는 상부 프레임 부재(202)의 저면 사시도를 도시하고 있다. 상부 프레임 부재(202)는 하나 이상의 융기부(232)와, 홈부(236)를 포함한다. 홈부(236)는 융기부(232)에 의해 형성되는 평면에 대해 오목하다. 홈부(236)는 포트(228)들 중 하나로부터 포트(228)들 중 다른 하나로 냉각제가 흐를 수 있는 채널의 일부를 형성한다. 후술하는 바와 같이, 채널의 나머지 부분은 하부 프레임 부재(300)에 의해 형성된다. 냉각제가 채널을 통해 흐를 때, 냉각제는 열을 흡수한다.
도 5에는, 하부 프레임 부재(300)의 예의 사시도가 도시되어 있다. 도 6은 하부 프레임 부재(300)가 상부 프레임 부재(202)와 결합되기 전에 상부 프레임 부재(202) 아래에 배치된 하부 프레임 부재(300)의 사시도를 포함하고 있다.
이제, 도 5 및 도 6을 참조하면, 하부 프레임 부재(300)는 상부 프레임 부재(202)와 동일한 재료로 형성될 수 있다. 하부 프레임 부재(300)가 상부 프레임 부재(202)와 동일한 재료로 형성되면, 하부 프레임 부재(300)는 상부 프레임 부재(202)와 결합하여 냉각 시스템(224)의 채널을 형성할 수 있다. 또한, 예컨대, 알루미늄과는 대조적으로, 하부 프레임 부재(300)가 상부 프레임 부재(202)와 동일한 재료로 형성되면, 중량, 비용 및 하나 이상의 다른 장점을 제공할 수 있다.
하부 프레임 부재(300)는, 예컨대, 용접(예컨대, 진동, 초음파, 핫플레이트, 레이저 등)을 이용하여, 하나 이상의 접착제(예컨대, 에폭시)를 이용하여, 또는 다른 적당한 플라스틱 결합 기술을 이용하여, 상부 프레임 부재(202)와 결합될 수 있다. 본 명세서에 기술된 하부 프레임 부재(300)의 특징을 포함하는 하부 프레임 부재(300)는, 예컨대, 사출 성형 또는 다른 적당한 유형의 가공법을 통해 형성될 수 있다.
하부 프레임 부재(300)는 하나 이상의 융기부(304)와, 홈부(308)를 포함한다. 홈부(308)는 융기부(304)에 의해 형성되는 평면에 대해 오목하다. 하부 프레임 부재(300)의 융기부(304)는 상부 프레임 부재(202)의 융기부(232)와 동일하다. 하부 프레임 부재(300)의 홈부(308)는 상부 프레임 부재(202)의 홈부(236)와 동일하다. 융기부(232)와 융기부(304)를 결합시킴으로써, 하부 프레임 부재(300)가 상부 프레임 부재(202)와 결합되어 채널을 형성할 수 있다.
융기부(232)의 높이가 융기부(304)의 높이와 동일하거나, 이 높이들이 상이할 수도 있다. 다양한 구현예(미도시)들에서, 하부 프레임 부재(300)는 융기부(304)나 홈부(308)를 포함하지 않는 균일한 두께를 갖도록 형성된 판일 수도 있다. 그러나, 융기부(304)를 구비하는 것이 구조적 장점(예컨대, 강성도) 및/또는 하나 이상의 다른 장점을 제공할 수 있다.
하부 프레임 부재(300)는 융기부(304)와 홈부(308)가 형성되는 상면(312)을 포함한다. 또한, 하부 프레임 부재(300)는 바닥면(316)을 포함한다. 도시되지는 않았으나, 하부 프레임 부재(300)의 상면(312)과 바닥면(316)이 동일하도록, 하부 프레임 부재(300)의 바닥면(316)에도 하나 이상의 융기부와 하나 이상의 홈부가 형성된다.
하부 프레임 부재(300)의 상면(312)과 바닥면(316) 모두에 융기부와 홈부가 형성되면, 하부 프레임 부재(300)의 모든 면이 조립시 상부 프레임 부재(202)에 결합될 수 있기 때문에, 조립이 용이해질 수 있다. 또한, 상면(312)과 바닥면(316) 모두에 융기부와 홈부가 형성되면, 하부 프레임 부재(300)가 상부 프레임 부재(202)와 제2 상부 프레임 부재(320) 모두와 일체화될 수 있다. 도 7은 하부 프레임 부재(300)의 상면(312)과 바닥면(316)에 결합된 상부 프레임 부재(202)와 제2 상부 프레임 부재(320)의 예시적 사시도이다.
도 2 및 도 3을 다시 참조하면, 상부 프레임 부재(202)는 결속 부재(324)와 같은 하나 이상의 결속 부재를 또한 포함할 수 있다. 배터리 팩과 배터리 팩에 커풀링된 다른 구성요소가 클램프, 타이-다운 등과 같은 하나 이상의 결속 장치를 통해 결속 부재(324)에서 차량의 프레임(예컨대, 차대)에 결속될 수 있다.
도 8에는, 모듈형 프레임(200)과 모듈형 프레임(200)에 다양한 정도로 삽입된 복수의 전지(400)를 포함하는 배터리 팩의 사시도가 도시되어 있다. 전지(400)는 개구(220)를 통해 모듈형 프레임(200)에 삽입된다. 전지(400)의 바닥부가 플로어(212) 상에 지지된다. 격리판(404)들 중 하나와 같은 격리판이 인접한 전지(400)들의 각 쌍 사이에 삽입된다. 격리판(404)은 전지(400)들을 서로로부터 전기적으로 격리/절연한다. 격리판(404)은 상부 프레임 부재(202) 및 하부 프레임 부재(300)와 동일한 재료 또는 다른 적당한 (전기) 비도전성 재료로 형성될 수 있다. 격리판(404)은 균일한 두께를 갖도록 형성된 판일 수 있다.
도 9에는, 모듈형 프레임(200), 전지(400) 및 전지 압착/구속 시스템(500)을 포함하는 배터리 팩의 사시도가 도시되어 있다. 격리판(404)이 도 9의 예에 도시되지는 않았으나, 격리판(404)은 전지(400)들을 서로로부터 전기적으로 격리시킨다.
전지 압착/구속 시스템(500)은 제1 단부판(504), 제2 단부판(508) 및 벨트(512)를 포함한다. 제1 및 제2 단부판(504, 508)과 벨트(512)는 스틸로 제조될 수 있다. 상부 프레임 부재(202)는 제1 및 제2 단부 벽체(204, 208)들 각각에 형성된 하나 이상의 조립 보조 요소(516)를 포함할 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 단부 벽체(204, 208)들은 각각 하나 이상의 조립 보조 요소(516)를 포함할 수 있다. 다양한 구현예들에서, 제1 및 제2 단부 벽체(204, 208)들은 각각 2개 이상의 조립 보조 요소를 포함할 수 있다. 하나의 조립 보조 요소를 포함하는 구현예들에 비해, 주어진 단부 벽체에 2개 이상의 조립 보조 요소가 존재하면, 조립시 해당 단부 벽체에 벨트(512) 및/또는 단부판을 더 정확하게 위치시켜 유지되도록 할 수 있다.
예를 들어, 조립 보조 요소(516)는 하나 이상의 (수형) 스냅 결합 요소를 포함할 수 있다. 스냅 결합 요소는, 예컨대, 캔틸레버형 스냅 결합 요소, 버튼형 스냅 결합 요소 또는 다른 적당한 유형의 스냅 결합 요소일 수 있다. 주어진 단부 벽체에 형성된 조립 보조 요소(516)는 주어진 단부 벽체와 단부판을 당접한 상태로 유지한다. 예컨대, 제1 단부 벽체(204)에 형성된 스냅 결합 요소들은 제1 단부판(504)의 개구들(개별적으로 참조번호를 부여하지 않음)을 통해 연장되어 제1 단부 벽체(204)의 외면과 제1 단부판(504)을 당접한 상태로 유지한다. 제2 단부 벽체(208)에 형성된 스냅 결합 요소들은 제2 단부판(508)의 개구들(개별적으로 참조번호를 부여하지 않음)을 통해 연장되어 제2 단부 벽체(208)의 외면과 제2 단부판(508)을 당접한 상태로 유지한다.
벨트(512)가 상부 프레임 부재(202)와 제1 및 제2 단부판(504, 508)을 둘러싸고 있을 때, 벨트(512)는 당해 벨트(512)를 조일 수 있는 버클(520) 또는 다른 적당한 압축 요소를 포함할 수 있다. 버클(520)은 회전하여 벨트(512)를 조이는 나사형 볼트(미도시)를 포함할 수 있다. 벨트(512)의 예시적 사시도가 도 15에 도시되어 있다.
전지(400)와 격리판(404)이 개구(220)를 통해 삽입되고, 단부판(504, 508)이 제1 및 제2 단부 벽체(204, 208)에 대해 유지되며, 벨트(512)가 적절하게 배치되면, 버클(520)이 작동하여 전지(400)에 대해 압축력을 인가할 수 있다. 벨트(512)에 의해 인가되는 힘은 개구(220)의 방향으로 전지(400)가 움직이는 것을 억제할 수도 있다.
도 10은 모듈형 프레임(200)과 프레임 커버(600)를 포함한 배터리 팩의 사시도를 도시하고 있다. 도 11은 프레임 커버(600)의 사시도를 포함한다. 이제, 도 10 및 도 11을 참조하면, 프레임 커버(600)는 분할기 부재(604)와 배기 매니폴드(608)를 포함한다. 분할기 부재(604)와 배기 매니폴드(608)는 상부 프레임 부재(202), 하부 프레임 부재(300) 및 격리판(404)과 동일한 재료로 형성될 수 있다.
분할기 부재(604)와 배기 매니폴드(608)는, 예컨대, 사출 성형 또는 다른 적당한 유형의 가공법을 통해 개별적으로 형성될 수 있다. 형성된 후, 분할기 부재(604)와 배기 매니폴드(608)는, 예컨대, 용접(예컨대, 진동, 초음파, 핫플레이트, 레이저 등)을 이용하여, 하나 이상의 접착제(예컨대, 에폭시)를 이용하여, 또는 다른 적당한 플라스틱 결합 기술을 이용하여, 결합되어 프레임 커버(600)를 형성할 수 있다.
배기 매니폴드(608)는 전지(400)의 배기구 위에 배치된다. 전지(400)로부터 방출된 가스는 배기구를 통해 배기 매니폴드(608)로 흐른다. 배기 매니폴드(608)는 포트(612)를 포함한다. 전지(400)로부터 방출된 가스가 배기 매니폴드(608)로부터 포트(612)들 중 하나를 통해 유출되고, 다른 가스가 포트(612)들 중 다른 하나를 통해 배기 매니폴드(608)로 유입될 수 있다.
분할기 부재(604)는 전지(400)의 단자가 관통하여 연장할 수 있는 개구(618)를 포함한다. 또한, 분할기 부재(604)는 전지의 상면들에 의해 형성되는 표면에 대해 수직하게 연장하는 벽체 부재를 포함한다. 벽체 부재들은 참조번호 "616"으로 표시된 높이를 갖는다. 벽체 부재들은 소정의 구조에 따라 전지(400)들을 연결하고 전지(400)의 단자를 하나 이상의 외부 접속용 단자 그룹들로 분할하거나 구획하도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 6의 예에서, 벽체 부재들은 단자(620)들을 외부 접속용의 다른 단자들로부터 분리하고, 벽체 부재들은 다른 단자들이 직렬로 연결될 수 있도록 다른 단자들을 분할한다. 벽체 부재들은, 툴이 2개의 인접한 단자들을 접촉시키지 않도록 하는 것과 같은, 하나 이상의 기능을 제공할 수 있다.
프레임 커버(600)는 프레임 커버(600)에 형성된 2개 이상의 개구(624)를 포함할 수 있다. 개구(624)는, 프레임 커버(600)와 상부 커버를 당접한 상태로 유지하기 위해 상부 커버에 형성된 스냅 결합 요소를 수용할 수 있다. 개구(624)에 대해서는 도 13 및 도 14의 예와 관련하여 후술하기로 한다.
도 12에는, 모듈형 프레임(200)과 단자 커넥터(700)를 포함한 배터리 팩의 사시도가 도시되어 있다. 프레임 커버(600)에 형성된 개구를 통해 단자들이 연장하도록 프레임 커버(600)가 상부 프레임 부재 상에 배치되면, 전지(400)의 단자들을 전기적으로 커플링하기 위해 단자 커넥터(700)가 추가될 수 있다. 단자 커넥터(700)는 전기 도전성 재료로 제조된다. 단자 커넥터(700)는, 예컨대, 너트(704), 클립(미도시), 스냅 결합 요소 또는 다른 방식을 이용하여, 단자에 고정될 수 있다. 단자 커넥터(700)와 너트(704)는 전지(400) 및/또는 상부 프레임 부재(202)의 벽체의 상면과 프레임 커버(600)를 당접한 상태로 유지할 수 있다.
도 13에는, 모듈형 프레임(200)과 단자 커버(800)를 포함한 배터리 팩의 사시도가 도시되어 있다. 도 14는 단자 커버(800)의 사시도이다. 이제, 도 13 및 도 14를 참조하면, 단자 커버(800)는 상부 프레임 부재(202), 하부 프레임 부재(300), 격리판(404) 및 프레임 커버(600)와 동일한 재료로 형성될 수 있다. 단자 커버(800)는, 예컨대, 사출 성형 또는 다른 적당한 유형의 가공법을 통해 형성될 수 있다.
단자 커버(800)는 전지(400)의 단자와 단자 커넥터(700)를 덮는다. 이러한 방식으로, 단자 커버(800)는 위로부터의 접촉으로부터 단자를 보호한다. 그러나, 단자 커버(800)는 하나 이상의 측 방향으로부터의 단자(620)에 대한 접근을 허용할 수 있다. 단자 커버(800)는 각 단자(620) 부근에서 단자 커버(800)를 수직으로 지지하는, 지지 부재(804, 808)와 같은, 하나 이상의 지지 부재를 포함할 수 있다. 지지 부재들은 전기적 접속을 위해 단자(620)에 접근할 수 있도록 하는 하나 이상의 개구를 각 단자(620)에 대해 생성하는 형상으로 배치될 수 있다. 예컨대, 지지 부재(814)는 단자(620)들 중 하나에 접근할 수 있도록 하는 개구(812, 816)를 생성하는 형상으로 배치된다. 마찬가지로, 지지 부재(808)는 단자(620)들 중 다른 하나에 접근할 수 있도록 하는 개구를 생성할 수 있다.
단자 커버(800)는 단자 커버(800)에 형성된 2개 이상의 (수형) 스냅 결합 요소를 포함할 수 있다. 스냅 결합 요소(820)는 프레임 커버(600)에 형성된 개구(624)와 인터페이싱하여 프레임 커버(600)와 단자 커버(800)를 당접한 상태로 유지한다. 이러한 방식으로, 원하는 경우, 예컨대, 수리를 위해, 단자 커버(800)를 분리할 수 있다. 캔틸레버형 스냅 결합 요소가 도시되어 있으나, 다른 적당한 유형의 스냅 결합 요소를 구현할 수 있도록 스냅 결합 요소(820)와 프레임 커버(600)가 구성될 수 있다. 또한, 단자 커버(800)는 다른 배터리 팩이 적층되거나 하나 이상의 구성요소가 장착될 수 있는 평면을 제공한다.
상술한 설명은 단지 예시일 뿐이며, 본 발명, 그 응용 또는 용도를 결코 한정하고자 의도하는 것은 아니다. 본 발명의 광범위한 교시는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명이 특수한 예를 포함하고 있지만, 도면, 명세서 및 하기된 특허청구범위를 학습하면 다른 변형들이 명백해질 것이기 때문에, 본 발명의 적용되는 범위가 그에 한정되지 않아야 한다. 명료함을 위해, 도면들에서 동일한 요소는 동일한 참조번호를 이용하여 표시하였다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "A, B 및 C 중 적어도 하나"라는 문구는 비배타적 논리 OR을 이용하여 논리(A 또는 B 또는 C)를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 하나의 방법 내에서 하나 이상의 단계들이 본 발명의 원리를 변경시키지 않고 다른 순서로(또는 동시에) 실행될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (20)

  1. 배터리 팩으로서,
    플로어, 플로어에 대해 수직하게 형성된 벽체 및 벽체에 의해 형성되는 개구를 포함하고, 전기 비도전성 플라스틱으로 형성된 프레임 부재와,
    제1 양극 단자, 제1 음극 단자, 및 상기 제1 양극 단자가 전기적으로 접속된 제1 전기 도전성 하우징을 포함하고, 프레임 부재의 벽체들 사이에 배치된 제1 리튬 이온 전지와,
    제2 양극 단자, 제2 음극 단자, 및 상기 제2 양극 단자가 전기적으로 접속된 제2 전기 도전성 하우징을 포함하고, 프레임 부재의 벽체들 사이에 배치된 제2 리튬 이온 전지와,
    제1 상태에서 프레임 부재 내에서 적어도 두 개의 직교축을 따라 프레임 부재에 대해 이동 가능한 격리판으로, 상기 격리판은 제1 및 제2 전기 도전성 하우징들 모두와 직접 접촉하고, 제2 전기 도전성 하우징으로부터 제1 전기 도전성 하우징을 전기적으로 격리시키며, 전기 비도전성 플라스틱으로 형성된 격리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    프레임 부재에 일체로 형성된 냉각 시스템을 더 포함하며;
    상기 냉각 시스템은, 프레임 부재에 형성된 냉각제 입구 및 출구 포트들과, 프레임 부재를 관통하여 형성되어 냉각제 입구 및 출구 포트들을 연결하는 냉각제 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    프레임 부재는,
    플로어, 벽체 및 냉각제 채널의 제1 부분을 포함하는 상부 프레임 부재와;
    냉각제 채널의 제2 부분을 포함하며, 냉각제 채널을 밀봉하기 위해 상부 프레임 부재에 결합되는 하부 프레임 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    하부 프레임 부재가 상부 프레임 부재에 용접된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제3항에 있어서,
    하부 프레임 부재를 상부 프레임 부재에 결합하는 접착제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    전기 비도전성 플라스틱은 폴리프로필렌(PPE)인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제1항에 있어서,
    양극 단자와 음극 단자를 각각 포함하고, 전기 도전성 하우징을 각각 포함하며, 프레임 부재의 벽체들 사이에 각각 배치되며, 각각의 양극 단자가 해당 전지의 전기 도전성 하우징에 전기적으로 접속된 N개의 다른 리튬 이온 전지들과,
    M개의 다른 격리판으로, 상기 M개의 다른 격리판의 각각은, 제1 상태에서 프레임 부재 내에서 적어도 2개의 직교축을 따라 프레임 부재에 대해 이동 가능하고, 각각의 전기 도전성 하우징들과 제1 및 제2 전기 도전성 하우징들을 서로로부터 전기적으로 격리시키는 M개의 다른 격리판을 더 포함하며,
    N은 영보다 큰 정수이고, M은 영보다 큰 정수이며 N과 같거나 그보다 작은 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    프레임 부재의 벽체들 중 하나의 외면에 형성된 스냅 결합 요소와;
    스냅 결합 요소와 인터페이싱하는 단부판으로서, 당해 단부판이 스냅 결합 요소와 인터페이싱할 때 상기 외면과 당접하여 유지되는 단부판과;
    프레임 부재와 단부판을 둘러싸는 벨트와;
    제2 상태에서 프레임 부재에 압축력을 인가하여 격리판들이 인접한 리튬 이온 전지들에 가압되도록 하기 위해 벨트를 이동시키는 압착/구속 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    프레임 부재의 벽체들 중 하나의 외면에 형성된 P개의 다른 스냅 결합 요소를 더 포함하며,
    P는 제로보다 큰 정수이고,
    단부판은 P개의 다른 스냅 결합 요소와 더 인터페이싱하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제8항에 있어서,
    스냅 결합 요소는 캔틸레버형 스냅 결합 요소이며,
    단부판은 캔틸레버형 스냅 결합 요소가 단부판과 인터페이싱하는 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제3항에 있어서,
    상부 프레임 부재는 사출 성형을 이용하여 형성되며,
    하부 프레임 부재는 사출 성형을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제3항에 있어서,
    복수의 제2 전지를 위한 플로어를 포함하고, 플로어에 대해 수직하게 형성된 벽체를 포함하며, 벽체에 의해 형성되는 제2 개구를 포함하고, 제2 상부 프레임 부재에 형성된 제2 냉각제 입구 포트를 포함하며, 제2 상부 프레임 부재에 형성된 제2 냉각제 출구 포트를 포함하고, 제2 냉각제 입구 포트를 제2 냉각제 출구 포트에 연결하는 제2 냉각제 채널의 제1 부분을 포함하는 제2 상부 프레임 부재를 더 포함하며,
    상기 하부 프레임 부재는 제2 냉각제 채널의 제2 부분을 더 포함하며, 제2 냉각제 채널을 밀봉하기 위해 제2 상부 프레임 부재에 더 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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