KR101952390B1 - 전기화학 셀들을 위한 프레임 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 셀들을 고정하기 위한 프레임(4a)에 관한 것으로, 상기 프레임은 그 내부에 적어도 하나의 냉각 매체용 냉각 채널(6a, 16a)이 형성되어 있는 프레임 바디(4)를 포함하고, 본 발명의 과제는 어레인지먼트 내에 간단하게 조립 가능하고 높은 작동 적합성(operational suitability)에서 상기 어레인지먼트 내에 수용된 셀들을 가급적 최상으로 보호하는 프레임을 제시하는 것이며, 상기 프레임(4a)은 다른 프레임(4a)과의 연결을 위해 적어도 하나의 플러그인 부재(plug-in piece)(12, 16)를 포함하고, 이때 상기 냉각 채널(6a, 16a)은 적어도 부분적으로 상기 플러그인 부재(12, 16) 내부에서 진행하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기화학 셀들을 위한 프레임 {FRAME FOR ELECTROCHEMICAL CELLS}
본 발명은 특허 청구항 제1항의 전제부에 따른 프레임에 관한 것이다.
이러한 프레임은 이미 유럽 특허 출원서 EP 2 432 043 A1호에 공지되어 있다.
배터리 시스템, 특히 리튬-배터리 시스템 내의 셀들은 통상적으로 원형 셀(round cell), 각기둥 셀(prismatic cell) 또는 파우치 셀(pouch cell)로서 형성되어 있다. 파우치 셀들은 필름으로 이루어진 셀 하우징을 포함한다.
각기둥 셀들과 비교하여 파우치 셀들의 장점들, 특히 파우치 셀들의 낮은 생산 비용으로 인해, 파우치 셀들은 휴대전화, 디지털 카메라 또는 자동차 분야에 이미 독점적으로 적용되고 있다. 파우치 셀들은 특히 전기 자동차-배터리에서 사용된다.
파우치 셀들의 주요한 기술적 장점은 미래의 셀 화학 원리에 대한 파우치 셀들의 적응 가능성이다.
현재의 통상적인 흑연-애노드와 비교하여 매우 증가한 리튬-흡수능과 그에 따라 증가한 에너지 밀도를 갖는, 특히 실리콘에 기초하는 예를 들어 새로운 애노드 재료들은 사이클링(cycling) 동안의 볼륨 작업을 매우 증대한다.
이와 같은 상황은 각기둥 셀들의 경우, 고정된 셀 하우징의 강한 팽창을 야기하며, 그에 따라 기계적인 문제들과 밀봉과 관련한 문제들이 나타난다. 그에 반해 파우치 셀들의 경우, 이와 같은 볼륨 작업은 필름으로 이루어진 가요성 셀 하우징에 의해 보상될 수 있다.
그 밖에, 배터리 시스템 내의 어떤 셀들은 접촉하지 않으면서 서로 나란히 위치 설정될 수 있다. 따라서, 상기 셀들 사이에 추가적인 간격 유지 소자, 말하자면 소위 스페이서(spacer)가 필요하다.
파우치 셀들을 고정하기 위한 프레임들, 또는 연료 전지용 프레임들은 특히 유럽 특허 출원서 EP 2 432 043 A1호에 공지되어 있다. 계속해서, 냉각 매체들이 관류할 수 있는 채널들을 포함하는 프레임들이 공지되어 있다. 미국 특허 출원서 US 2012/0040223 A1호 또는 US 2011/0293982 A1호는 이러한 프레임들을 보여준다.
파우치 셀들을 고정하기 위한 프레임들은 자체 실링 심(sealing seam)의 밀봉을 보장해야 한다. 덧붙여서 프레임 손상시 전해질이 한 방향으로 배출되도록 보장되어야 하며, 이때 방출된 인화성 가스가 전류를 안내하는 부재들에 접촉하지 않도록 보장되어야 한다.
또한, 소위 스택(stack) 내에서 공차 보상이 주어져야 한다. 셀에 작용하는 진동들은 감소해야 한다. 그뿐만 아니라, 냉각 순환계가 상기 프레임에 연결되어야 한다.
덧붙여서, 전극들의 고정이 개선되어야 하고, 이들의 기계적 완충 효과가 필요하다.
계속해서, 스택의 진동 저항성 또는 충격 저항성이 주어져야 한다. 이와 같은 사실은 특히, 자동차 분야, 특히 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 상용차, 버스 또는 화물 자동차에서 사용되는 배터리 시스템들에서 중요하다.
상기 진동 저항성은 기차, 비행기 또는 작업 장비와 같은 그 밖의 모바일 애플리케이션에도 주어져야 한다.
상기 진동 저항성은 작동 모드에서 필요하다. 특히 승용차-애플리케이션에서는 일반적으로 배터리 하우징이 탄성을 갖지 않고, 그에 따라 진동 저항성 없이 지지 되어 있다. 따라서, 배터리 시스템의 구성 소자들은 높은 진동 저항성을 가져야 한다. 기계적 충격에 대한 저항성(일반적으로 100g을 초과하는 가속도가 요구됨)은 무엇보다 사고시 부각된다.
모든 경우에서, 냉각 순환계 내에 누출이 발생하지 않도록 보장되어야 한다. 이와 같은 누출이 발생하는 경우, 냉각 매체, 예컨대 물이 전류를 안내하는 부재들에 접촉할 수 있다.
또한, 이와 같은 경우에 셀이 개방되면, 상기 냉각 매체가 방출된 셀 성분들, 예컨대 리튬에 접촉할 위험성이 있다. 이와 같은 상황은 중대한 결과들을 가져온다. 수소가 방출될 수도 있다.
전기화학 셀들의 장기간 안정성과 관련하여, 냉각 공정의 효율 및 균일성은 달성되어야 할 특별한 과제이다. 지나치게 높거나 지나치게 낮은 온도들은 셀들의 노화를 앞당길 수 있다. 불균일한 온도 조절은 셀들의 불균일한 노화 및 그에 따른 전체 시스템의 전력 감소를 야기할 수 있다.
따라서, 본 발명의 과제는 어레인지먼트 내에 간단하게 조립 가능하고, 높은 작동 적합성(operational suitability)에서 상기 어레인지먼트 내에 수용된 셀들을 가급적 최상으로 보호하는 프레임을 제시하는 것이다.
본 발명에 따라, 앞에 제시된 과제는 특허 청구항 제1항의 특징들에 의해 해결된다.
본 발명에 따라, 냉각 채널들이 프레임 내에 통합되어야 한다는 사실이 우선적으로 확인될 수 있었으며, 이때 상기 냉각 채널들은, 제1 프레임의 한 측면 상에서 돌출되어 나오는 플러그인 부재(plug-in piece) 및 이웃하는 제2 프레임의 다른 측면 내로 돌출하여 들어가는 플러그인 부재로서 존재할 수 있다. 이러한 플러그인 부재들은 관 형태의 수 부재(male part)들 및/또는 리세스 형태의 암 부재(female part)들을 포함할 수 있다.
그럼으로써, -특히 프레임 평면으로부터 부분적으로 돌출되어 나오는 플러그인 부재들에 의해- 기계적으로 놀랍도록 안정적인 밀봉 방식의 연결부가 보장된다. 이와 같은 연결부는 특히 진동들과 기계적인 충격들을 우수하게 견딘다.
그 밖에, 예를 들어 온도 변화에 의해 야기되는 기계적 응력이 보상될 수 있다. 또한, 이와 같은 방식으로 제조된 어레인지먼트는 제작 공차의 공차 보상을 가능하게 한다. 각각의 이웃한 프레임 내로 관들이 돌출하여 들어감으로써, 프레임들은 서로 고정 연결되고, 그에 따라 스택의 기계적 안정성에 기여한다. 이와 같은 방식으로 별도의 추가 연결 부재들은 일반적으로 생략될 수 있다.
따라서, 이러한 프레임들을 포함하는 어레인지먼트는 비교적 적은 구성 소자들을 요구한다. 우선적으로는 파이프들이나 냉각판들을 제공할 필요가 없다. 어레인지먼트는 간단하게 제조되어 짧은 시간 안에 조립된다. 조립시 개별적인 중요 부품들을 빠뜨리는 상황이 배제된다. 이와 같은 상황은 포카-요케 원리(poka-yoke principle)에 의해 구현될 수 있다.
지금까지는 어레인지먼트 내에 간단하게 조립 가능하고 높은 작동 적합성에서 상기 어레인지먼트 내에 수용된 셀들을 가급적 최상으로 보호하는 프레임이 제시되었다.
다음에서 서두에 언급된 과제가 해결된다.
상기 플러그인 부재는 적어도 부분적으로 프레임 평면으로부터 돌출되어 나옴으로써, 이웃한 프레임의 플러그인 부재의 보완적인 개구 내로 돌출하여 들어갈 수 있다. 이와 같은 방식으로 프레임과 이웃한 프레임 사이에 플러그인 부재들이 존재하며, 상기 플러그인 부재들을 통해 냉각 매체가 흐를 수 있다.
상기 플러그인 부재는 원형 또는 직사각형의 횡단면을 가질 수 있다. 원형 플러그인 부재들은 간단하게 제조될 수 있고, 직사각형 플러그인 부재들은 프레임 이용을 개선한다.
상기 플러그인 부재는 수 부재 및 암 부재를 포함할 수 있고, 이때 상기 수 부재는 이웃한 프레임의 암 부재 내로 삽입되기에 적합하고, 이때 상기 암 부재는 이웃한 프레임의 수 부재를 수용하기에 적합하다. 이와 같은 방식으로 스택 또는 어레인지먼트의 각각의 프레임은 동일하게, 그리고 동시에 다른 프레임에 대해 보완적으로 형성될 수 있다.
상기 플러그인 부재는 적어도 하나의 씰(seal)을 포함할 수 있다. 그럼으로써, 액체가 냉각 채널로부터 배출되는 상황이 방지된다. 플러그인 부재들 상에 씰이 장착될 수 있다. 상기 씰은 플러그인 부재의 수 부재 상에 그리고/또는 플러그인 부재의 암 부재 상에 배치될 수 있다. 씰 재료로는 탄성 중합체, 바람직하게는 EPDM, VMQ, HNBR, FKM 또는 부틸 고무(butyl rubber)가 사용될 수 있다. 더 단순한 적용예들에서는 열가소성 탄성 중합체가 사용될 수도 있다.
상기 플러그인 부재와 상기 씰은 일체형으로 형성될 수 있다. 이와 같은 방식으로 프레임과 씰들은 하나의 부품으로 구현될 수 있다. 이와 같은 상황은 2성분-프로세스에 의해 구현될 수 있다.
상기 씰은 O-링들 또는 삽입부들을 포함할 수 있다. 프레임과 씰들은 제조 후에 조립될 수 있는데, 이때 상기 씰들은 O-링과 같은 삽입부로서 설계되어 있다.
상기 플러그인 부재는 방사 방향으로 그리고/또는 축 방향으로 밀봉 작용하는 씰을 포함할 수 있다. 이와 같은 방식으로 밀봉은 단지 방사 방향으로만 이루어질 수 있거나, 단지 축 방향으로만 이루어질 수 있거나, 축 방향 및 방사 방향으로 이루어질 수 있다. 플러그인 부재 또는 프레임의 관들 및/또는 리세스들에 씰들이 장착될 수 있다. 상기 씰들은 바람직하게 방사 방향으로 그리고 축 방향으로 작용하도록 배치되어 있지만, 적어도 방사 방향으로 작용한다.
플러그인 부재들은 바람직하게 적어도 하나의 방사 방향 실링부(sealing part)를 포함함으로써 최대한 높은 공차 보상이 보장되도록 설계되어 있다. 공차는 제조에 의해서, 열팽창에 의해서, 또는 요구되는 진동 저항성에 의해서 발생할 수 있다.
그 밖에, 상기 플러그인 부재들은 축 방향 실링부를 포함할 수도 있으며, 이는 추가적인 안정성을 제공한다. 씰의 멀티립 디자인(multi-lip design)은 밀봉의 신뢰성을 향상시킨다.
씰은 다수의 부분 씰을 포함할 수 있는데, 말하자면 멀티립 디자인으로 설계될 수 있다. 그럼으로써, 밀봉 효과가 증가하고 밀봉이 보장되는데, 그 이유는 하나의 부분 씰에 오류가 발생하면 이러한 오류가 다른 씰에 의해 보상될 수 있기 때문이다.
셀의 씰 및 플러그인 부재의 씰을 위한 씰 재료를 사용할 때, 상기 씰들을 하나의 공정 단계에서 적용할 수 있다. 프레임용 열 전도성 재료들 및/또는 씰 재료들은 열 전달을 향상시키고, 따라서 바람직하다.
상기 프레임은 냉각 매체와 관련하여 최대 10bar까지, 바람직하게는 최대 30bar까지, 특히 바람직하게는 최대 130bar까지의 압력을 견딜 수 있다. 상기 프레임은 물 또는 물에 기초한 냉각 매체가 사용되는 경우, 최대 10bar까지의 압력을 견디도록 설계될 수 있다. 상기 프레임은 냉각 매체로서 냉난방 장치의 플루오르화 또는 부분 플루오르화 유기 매체가 사용되는 경우, 최대 30bar까지의 압력을 견디도록 설계될 수 있다. 상기 프레임은 냉각 매체로서 이산화탄소가 사용되는 경우, 최대 130bar까지의 압력을 견디도록 설계될 수 있다. 높은 압력에서는 플러그인 부재들 내로 삽입되어 있는 파이프들을 사용하는 것이 특히 바람직하다.
물-글리콜에 기초하는 냉각 순환계를 위해, 씰들은 10bar까지의 압력을 견뎌야 한다. 냉각 순환계에 접촉하는 부재들을 위한 씰 재료로는 낮은 수분 침투율을 갖는 재료들, 예를 들어 EPDM, FKM, HNBR 또는 부틸 고무가 고려된다.
예컨대 R 1234yf와 같은 부분 플루오르화 냉각 매체가 사용되는 경우, 씰들은 내부 압력에 대해 대략 30bar까지 밀봉 작용할 수 있어야 한다.
이산화탄소가 냉각 매체로서 사용되는 경우, 씰들은 내부 압력에 대해 대략 130bar까지 밀봉 작용할 수 있어야 한다.
멀티립 형상의 씰의 경우, 또는 상대적으로 더 낮은 가스 침투율이 요구되는 경우, 비교적 높은 냉각 매체 침투율을 허용하는 씰 재료들이 사용될 수 있는데, 예를 들어 실리콘에 기초한 탄성 중합체가 사용될 수 있다.
적어도 하나의 플러그인 부재 내에는 유동판(flow plate)이 배치될 수 있다. 플러그인 부재들 내에는 프레임을 향하는 층류 또는 난류를 발생시키고, 그럼으로써 열 전달 및 냉각 효율을 향상시키는 유동판들이 배치될 수 있다. 유동 유입 측면은 바람직하게 셀 바디 방향으로 돌출한다.
냉각 채널에서 프레임으로 우수한 열 전달이 구현되어 있다. 냉각 채널 내에 유동판들을 장착함으로써, 냉각 채널과 셀 사이의 열 전달은 추가 개선될 수 있다. 이와 같은 상황은 폴리머 제작 재료, 말하자면 전기 전도성을 갖지 않는 제작 재료의 사용을 가능하게 한다. 또한, 이와 같은 상황은 적은 유량의 냉각 매체 사용을 가능하게 한다. 그럼으로써, 냉각 채널들의 지름은 감소할 수 있거나, 또는 동일한 지름에서 냉각 효율이 증가할 수 있다.
적어도 하나의 플러그인 부재 내에는 유동 표면(flow surface)이 배치될 수 있다. 플러그인 부재들 내에는 유동이 안내되는 유동 표면이 형성될 수 있다.
상기 유동 표면은 상승한 거칠기를 가질 수 있다.
상기 유동 표면은 상승한 열 전도성을 가질 수 있다. 이와 같은 상황은 예를 들어 금속 인서트(metal insert)에 의해 구현될 수 있다.
유동이 유입되는 상기 유동 표면은 바람직하게 셀 바디 방향으로 장착될 수 있다.
적어도 하나의 플러그인 부재 내에는 열 전도성 리브(thermal conductive rib)가 배치될 수 있다. 플러그인 부재들 내에는, 프레임을 통해 셀들에서 유체로 상승한 열 전달을 구현하는 열 전도성 리브들이 배치될 수 있다.
적어도 하나의 플러그인 부재 내에는 클립 부재(clip element)가 형성될 수 있다. 프레임들이 상호 맞물릴 때 추가적인 고정을 제공하는 클립 부재들이 플러그인 부재들 내에 형성될 수 있다.
플러그인 부재는 내부에 장착된 버팀대들에 의해 기계적으로 안정화될 수 있다. 그럼으로써, 상기 플러그인 부재는 안정화된다.
어레인지먼트는 본 출원서에 기술된 유형의 적어도 2개의 프레임을 포함할 수 있고, 이때 상기 프레임들 사이에 하나의 셀이 배치되어 있으며, 이때 제1 플러그인 부재의 수 부재는 제2 프레임의 암 부재 내로 돌출하여 들어가고, 그리고 이때 상기 플러그인 부재들을 통해 냉각 매체용 냉각 채널이 안내되어 있다. 스택 또는 모듈은 2개 또는 그 이상의 셀 또는 프레임으로 구성될 수 있다.
수 부재 및/또는 암 부재에 배치되어 있는 씰은 메인 결합부(main force connection) 또는 서브 결합부(sub force connection)에 놓일 수 있다.
상기 플러그인 부재들을 통해, 그 내부에 상기 냉각 채널이 형성되어 있는 적어도 하나의 파이프가 안내될 수 있다. 냉각 매체를 안내하는 파이프들은 상기 플러그인 부재들의 개구들을 통해 안내될 수 있다. 높은 압력에서는 상기 플러그인 부재들 내로 삽입되어 있는 파이프들을 사용하는 것이 특히 바람직하다.
파이프는 플러그인 부재의 각각 하나의 개구를 통해 안내될 수 있고, 이때 상기 파이프와 적어도 하나의 개구의 내벽 사이에 공차 보상 수단이 배치되어 있다. 냉각 매체를 안내하는 파이프들은 상기 플러그인 부재들의 개구들을 통해 안내될 수 있고, 이때 상기 개구들의 내벽에는 공차 보상 재료가 공급되어 있다.
외부 하우징은 냉각 채널의 부분일 수 있고, 이때 마지막 프레임의 플러그인 부재는 상기 하우징의 보어(bore) 내로 삽입되어 있다. 외부 하우징이 냉각 채널 안에 포함될 수 있고, 이때 마지막 프레임의 플러그인 부재는 상기 하우징의 보어 내로 삽입된다.
배터리 시스템은 본 출원서에 기술된 유형의 어레인지먼트를 포함할 수 있다. 배터리 시스템은 스택 및 본 출원서에 기술된 유형의 적어도 2개의 프레임을 포함할 수 있다. 본 출원서에 기술된 프레임은 가요성 셀 디자인의 에너지 저장기 전기화학 셀, 특히 파우치 셀, 리튬-이온 셀 또는 리튬-황 셀을 고정하기 위해 이용된다.
상기 프레임은 고정될 수 있고, 둘레를 둘러싸고 가역적으로 압축 가능한 셀 씰을 포함할 수 있다. 이러한 셀 씰은 대부분의 둘레로 파우치 셀의 실링 심을 가압할 수 있다. 그럼으로써, 상기 셀은 프레임에 탄성적으로 지지 된다. 프레임의 양 측면 상에 이러한 셀 씰이 제공될 수 있다.
본 출원서에 기술된 프레임은, 우수하게 그리고 균일하게 온도 조절되어야 하는 파우치 셀들을 구비한 배터리 시스템들, 기계적인 진동들에 추가 노출되어 있는 시스템들, 특히 자동차, 상용차, 기차, 비행기와 같은 모바일 애플리케이션들, 자재 운반 차량, 건설 장비, 트랙터, 무인 로봇과 같은 "오프-하이웨이(off-highway)" 애플리케이션들, 특히 높은 에너지 스루풋(energy throughput)을 가짐으로써, 한편으로 상승한 냉각력을 요구하고, 다른 한편으로는 높은 빈도의 셀 두께 변경을 야기하는 시스템들에 특히 적합하다.
이전에 언급된 적용예들 이외에, 본 발명은 추가로 상용 주파수 안정화 배터리와 같은 고정식 시스템들 또는 백업(back-up) 애플리케이션들 또는 사이클링 동안에 특히 높은 볼륨 작업을 경험하는 애노드/캐소드 재료들을 갖는 배터리 시스템들과 관련이 있다.
도 1은 필름 집전장치(film-current collector)가 돌출하는 파우치 셀의 도면이고,
도 2는 그 내부에 냉각 채널들을 위한 보어들이 나타나 있는 프레임의 2가지 관점의 도면이며,
도 3은 그 사이에 프레임들이 배치되어 있는 파우치 셀들로 이루어진 어레인지먼트, 말하자면 스택의 도면이고,
도 4는 그 내부에 프레임 평면으로부터 돌출되어 나오는 원형 플러그인 부재들이 통합되어 있는 프레임의 추가 관점의 도면이며,
도 5는 그 내부에 프레임 평면으로부터 돌출되어 나오는 원형 플러그인 부재들이 통합되어 있는 추가 관점의 도면이고,
도 6은 프레임 내에 통합된 원형 플러그인 부재의 단면도이며,
도 7은 그 내부에 프레임 평면으로부터 돌출되어 나오는 직사각형에 가까운 플러그인 부재들이 통합되어 있는 프레임의 도면이고,
도 8은 프레임에 대해 가로 방향에서, 프레임 내에 통합된 직사각형에 가까운 플러그인 부재의 단면도이며,
도 9는 프레임의 세로 방향에서, 프레임 내에 통합된 직사각형에 가까운 플러그인 부재의 단면도이고,
도 10은 그 수 부재에 방사 방향으로 그리고 축 방향으로 작용하는 부분 씰이 배치되어 있는, 플러그인 부재의 단면도이며,
도 11은 그 암 부재에 방사 방향으로 그리고 축 방향으로 작용하는 부분 씰이 배치되어 있는, 플러그인 부재의 단면도이고,
도 12는 제1 플러그인 부재의 수 부재에 축 방향으로 작용하는 하나의 부분 씰이 배치되어 있고, 제2 플러그인 부재의 암 부재에 방사 방향으로 작용하는 2개의 부분 씰이 배치되어 있는, 2개의 플러그인 부재의 단면도이며,
도 13은 제1 플러그인 부재의 수 부재에 방사 방향으로 작용하는 2개의 부분 씰이 배치되어 있고, 제2 플러그인 부재의 암 부재에 축 방향으로 작용하는 하나의 부분 씰이 배치되어 있는, 2개의 플러그인 부재의 단면도이고,
도 14는 플러그인 부재의 수 부재에 방사 방향으로 작용하는 2개의 부분 씰이 배치되어 있고, 상기 플러그인 부재의 암 부재에 부분 씰이 배치되어 있지 않은, 2개의 동일한 플러그인 부재의 단면도이며,
도 15는 플러그인 부재의 수 부재에 방사 방향으로 작용하는 2개의 부분 씰 및 축 방향으로 작용하는 하나의 부분 씰이 배치되어 있고, 상기 플러그인 부재의 암 부재에 부분 씰이 배치되어 있지 않은, 2개의 동일한 플러그인 부재의 단면도이고,
도 16은 플러그인 부재의 수 부재에 방사 방향으로 작용하는 2개의 부분 씰 및 축 방향으로 작용하는 하나의 부분 씰이 배치되어 있고, 축 방향으로 그리고 방사 방향으로 작용하는 리브들이 제공되어 각각 하나의 정지부를 형성하는, 플러그인 부재의 단면도이며,
도 17a는 플러그인 부재의 수 부재에 방사 방향으로 작용하는 2개의 부분 씰 및 축 방향으로 작용하는 하나의 부분 씰이 배치되어 있고, 방사 방향에서 내부로 돌출하여 들어가는 유동판이 형성되어 있는, 플러그인 부재의 단면도이고,
도 17b는 플러그인 부재의 수 부재에 방사 방향으로 작용하는 2개의 부분 씰 및 축 방향으로 작용하는 하나의 부분 씰이 배치되어 있고, 방사 방향에서 내부로 돌출하여 들어가는 유동판이 형성되어 있으며, 유동 유입 표면상에 열 전달을 향상시키는 표면이 장착되어 있는, 플러그인 부재의 단면도이며,
도 18은 플러그인 부재의 수 부재에 방사 방향으로 작용하는 2개의 부분 씰 및 축 방향으로 작용하는 하나의 부분 씰이 배치되어 있고, 플러그인 부재의 암 부재에 부분 씰이 배치되어 있지 않으며, 상기 플러그인 부재들을 하나의 파이프가 관통하는, 2개의 동일한 플러그인 부재의 단면도이고,
도 19는 플러그인 부재의 수 부재에 방사 방향으로 작용하는 2개의 부분 씰 및 축 방향으로 작용하는 하나의 부분 씰이 배치되어 있고, 플러그인 부재의 암 부재에 부분 씰이 배치되어 있지 않으며, 상기 플러그인 부재들을 하나의 파이프가 관통하고, 상기 파이프와 상기 플러그인 부재들 사이에 공차 보상 수단으로서 하나의 층이 배치되어 있는, 2개의 동일한 플러그인 부재의 단면도이며,
도 20은 열 전달을 향상시키기 위해 그 냉각 채널 내에 열 전도성 리브들이 배치되어 있는, 도 7에 도시된 것과 같은 직사각형에 가깝게 구현된 플러그인 부재의 도면이고,
도 21은 그 내부에 열 전도성 리브들 옆에 기계적인 보강 작용을 하는 버팀대들이 배치되어 있는, 도 20과 동일한 플러그인 부재의 도면이며,
도 22는 유체를 안내하는 냉각 채널들이 프레임 내의 격자 구조물에 의해 형성되어 있고, 밀봉은 내부 및 외부에서 둘레를 둘러싸는 셀 씰들에 의해 이루어지는, 프레임의 도면이다.
도 1은 2개의 파우치 셀, 말하자면 각각 하나의 가요성 커버를 갖는 갈바니 전지(galvanic cell)를 도시한다.
이러한 파우치 셀은 셀 바디(1)를 포함하고, 상기 셀 바디 내에는 전극 분리 층들이 위치하며, 둘레를 둘러싸는 실링 심(2)을 포함하고, 상기 실링 심의 영역에서 상부 커버 필름과 하부 커버 필름이 서로 용접되어 있다.
파우치 셀은 상기 커버 필름들 사이에서 돌출되어 나오고 필름에 의해 추가적으로 밀봉된 필름 집전장치(3)를 포함한다.
상기 필름 집전장치(3)는 도 1의 오른쪽 도면에 도시된 것과 같이, 모두 동일한 측면 상에서 돌출되어 나올 수 있거나, 또는 도 1의 왼쪽 도면에 도시된 것과 같이, 서로 마주보는 측면 상에서 돌출되어 나올 수 있다.
파우치 셀의 작동시, 말하자면 충전 또는 방전시 상기 셀 바디(1)의 두께가 일반적으로 5 -10%만큼 변경된다.
또한, 오래된 파우치 셀은 새로운 파우치 셀보다 대략 5% 더 두껍다. 따라서, 오래되고 충전된 파우치 셀은 충전되지 않은 새로운 파우치 셀보다 대략 10% 더 두껍다. 미래의 셀 화학 시스템에서는 심지어 더 큰 두께 변화가 예상된다.
현재 사용되는 흑연-캐리어와 비교하여 더 높은 비율의 리튬 저장 용량을 구현하는 특히 새로운 애노드 재료들, 말하자면 실리콘에 기초하는 재료들은 더 큰 볼륨 작업을 경험한다. 따라서, 더 높은 용량성의 셀들을 허용하는 새로운 애노드 재료들의 경우, 파우치 셀들의 볼륨 작업은 점점 더 중요해지고 있다.
파우치 셀의 가요성으로 인해, 냉각 공정의 중요성이 커지고 있다. 현재에는 무엇보다 파우치 셀의 필름 집전장치(3)가 열적으로 접촉된다.
그러나 이와 같은 상황은 다음의 단점들을 갖고 있다: 전류를 안내하는 부재들에 응축물이 형성될 수 있다. 그 결과 단락이 발생할 수 있다. 상기 필름 집전장치(3)의 작은 횡단면으로 인해, 상기 파우치 셀로부터 외부로 운반될 수 있는 전체 열량은 제한되어 있다.
대안적인 냉각 원리들은 파우치 셀들의 실링 심(2)의 접촉부 또는 셀 바디의 영역도 함께 고려한다. 그럼으로써, 균일하고 효율적인 냉각 공정이 달성된다.
이 경우, 상기 셀 바디(1)/실링 심(2)의 인터페이스에서 프레임 및 냉각 순환계로의 열 운반이 중요한 과제이다. 이와 같은 열 운반은 특히 프레임이 플라스틱으로 제조된 경우에 중요한 과제이다.
후속하여 냉각 채널들이 셀들을 고정하기 위한 프레임 내에 통합되어 있는 어레인지먼트가 기술된다.
도 2는 파우치 셀들을 배터리 하우징 내에 고정하기 위한 프레임의 2가지 관점을 도시한다.
이와 같은 프레임은 고정된 프레임 바디(4) 및 고정 로드(fixing rod)용 관통 개구들(5)을 포함한다.
그뿐만 아니라, 파이프용 보어들(6)이 통합되어 있다. 둘레를 둘러싸는 탄성 중합체 셀 씰(7)이 제공되어 있고, 상기 셀 씰은 조립 상태에서 도 1에 도시된 파우치 셀의 실링 심(2)을 가압한다.
계속해서 리세스(8)가 제공되어 있고, 상기 리세스 내부에서 상기 셀 씰(7)은 셀의 실링 심(2)에 접촉하지 않는다. 배출 채널(9)을 통해, 오류 상황에서 셀로부터 배출되는 가스가 셀 평면에 대해 수직으로 누출될 수 있다.
이러한 프레임은 플라스틱, 예를 들어 폴리아미드, 폴리에스테르, PPS, 다른 열가소성 수지 또는 듀로 플라스틱으로 구성될 수 있다.
바람직하게 무기 섬유, 예를 들어 유리 또는 탄소에 의해 보강이 이루어진다.
계속해서 프레임을 구성하는 재료가 난염성을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같은 특성은 무기 충전제에 의해 제공될 수 있다.
또한, 안정성과 관련하여 프레임이 전기 절연성 재료로 구성되는 것이 바람직하다.
계속해서 -특히 열적 응력을 받는 셀들을 위해- 프레임을 구성하는 재료가 열 전도성을 갖는 것이 바람직하다. 상기 열 전도성은 0.5W/(m*K)의 값을 초과해야 한다.
이와 같은 열 전도성은 다음의 재료들이 제공할 수 있다:
Albis Plastic//ALCOM PA66 910/30.1 TCE5(열 전도성 5W/(m*K)), Albis Plastic//ALCOM PA66 910/30.1 TCE10(열 전도성 10W/(m*K)), CoolPoly® E3607(열 전도성 20W/(m*K)), BASF PA 6; B3UGM210(열 전도성 1W/(m*K)) 또는 CoolPoly® D3612(열 전도성 6W/(m*K))와 같은 열 전도성 플라스틱들.
처음 3개의 재료는 전기 전도성도 가지며, 4번째 및 5번째 재료는 전기 전도성을 갖지 않는다.
상기 프레임은 금속으로 제조될 수도 있다. 이 경우, 경량의 디자인을 구현하는 것이 특히 바람직하다.
상기 프레임을 제조하기 위해 전기 전도성 재료들을 사용하는 경우, 무엇보다 필름 집전장치(3)의 접촉이 이루어지지 않도록 주의해야 한다. 그렇지 않으면, 단락이 발생할 수 있다.
둘레를 둘러싸는 상기 셀 씰(7)은 싱글립 또는 멀티립 디자인으로 설계될 수 있다. 프로세스 변동으로 인한 공차를 보상할 수 있기 위해, 상기 셀 씰(7)의 폭은 넓게 구현되는 것이 바람직하며, 이러한 프로세스 변동시 얇은 씰들은 양 측면에서 비대칭적으로 실링 심(2)을 가압하고, 이와 같은 실링 심은 상승한 기계적 응력을 받게 된다.
일반적으로 상기 셀 씰(7)은 셀의 실링 심(2)을 밀봉함으로써, 이와 같은 실링 심이 1bar를 초과하는 내부 압력에서 밀봉된 위치들에서 개방되지 않도록 설계된다.
상기 셀 씰(7)은 바람직하게 낮은 완화 특성(relaxation behavior)의 탄성 중합체 제작 재료로 제조되어 있다. 특히 바람직하게, 특히 방염 관점에서 우수한 특성들을 갖는 실리콘 고무에 기초한 셀 씰들(7)이 사용될 수 있다.
셀 씰(7)에 대한 필요성이 더 낮은 경우, 예를 들어 배터리 수명이 제한되어 있는 경우, 또는 소비 지향적 애플리케이션들의 경우, 열가소성 탄성 중합체를 이용할 수도 있다.
도 3은 2개의 프레임 바디(4) 사이에 각각 도 1에 따른 파우치 셀이 위치 설정되어 있는, 프레임 바디들(4)을 구비한 다수의 프레임으로 구성된 어레인지먼트, 말하자면 파일 또는 스택을 도시한다.
필름 집전장치(3)는 상기 프레임 바디들(4)로부터 돌출되어 나온다. 상기 어레인지먼트의 양 측면 상에 커버 플레이트(11)가 배치되어 있고, 상기 커버 플레이트는 셀들 및 프레임들로 이루어진 파일을 외부에 대해 분리한다.
이와 같은 커버 플레이트(11)는 하우징 내에 통합될 수도 있는데, 다시 말해 하나의 하우징부, 예를 들어 벽, 바닥, 덮개가 상기 커버 플레이트(11)의 기능을 담당할 수 있다.
상기 커버 플레이트(11) 내에는 고정 로드용 관통 개구들(5) 및 통합된 파이프용 보어들(6)이 포함되어 있다.
계속해서 비상 배출구(10)가 제공되어 있고, 상기 비상 배출구를 통해, 오류 상태에서 발생 가능한 배출 채널들(9) 내에 수집된 배출물이 스택 또는 하우징으로부터 안전하게 배출될 수 있다.
도 4는 그 내부에 적어도 하나의 냉각 매체용 냉각 채널(6a)이 형성되어 있는 프레임 바디(4)를 포함하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임(4a)을 도시한다.
상기 프레임(4a)은 다른 프레임과의 연결을 위해 적어도 하나의 플러그인 부재(12)를 포함하고, 이때 상기 냉각 채널(6a)은 적어도 부분적으로 상기 플러그인 부재(12) 내부에서 진행한다.
상기 플러그인 부재(12)는 적어도 부분적으로 프레임 평면(4b)으로부터 돌출되어 나옴으로써, 이웃한 프레임의 플러그인 부재의 보완적인 개구 내로 돌출하여 들어갈 수 있다.
상기 플러그인 부재(12)는 원형의 횡단면을 갖는다.
상기 냉각 채널들(6a)도 마찬가지로 원형 횡단면을 가짐으로써, 상기 프레임(4a) 외부의 튜브들 또는 파이프들로의 연결이 특히 간단하게 구현될 수 있다.
도 4는 냉각 순환계를 위한 플러그인 부재들(12)을 구비한 프레임(4)을 도시한다. 이웃한 프레임과의 조립시 플러그인 부재들(12)의 수 부재들(13)은 암 부재들(14), 특히 리세스들 내로 삽입된다.
도 5는 원형의 횡단면을 갖는 플러그인 부재들(12)을 구비한 프레임(4a)을 도시한다.
도 6은 프레임 바디(4) 내에 통합된 플러그인 부재(12)의 단면도이다. 상기 플러그인 부재(12)의 수 부재(13)는 이웃한 프레임의 플러그인 부재의 암 부재 내로 돌출하여 들어갈 수 있다. 본 도면에는 상기 프레임 바디(4)가 수 부재(14)가 삽입될 수 있는 이러한 암 부재(14), 말하자면 리세스를 갖는다는 사실도 나타나 있다.
상기 플러그인 부재(12)는 적어도 하나의 씰(15)을 포함한다. 상기 플러그인 부재(12)는 비드(bead) 형태로 돌출되는 탄성 중합체 씰(15)을 포함한다. 상기 플러그인 부재(12)와 상기 씰(15)은 일체형으로 형성되어 있다.
도 7은 원형이 아닌 플러그인 부재들(16)을 구비한 프레임(4a)을 도시한다. 상기 플러그인 부재들(16)의 냉각 채널들(16a)도 더 넓은 폭을 가질 수 있다. 상기 냉각 채널들(16a)의 횡단면은 직사각형 또는 타원형일 수 있다. 이와 같은 상황은 특히 온도 조절 필요성이 높은 경우에 바람직하다.
상기 냉각 채널들(16a) 내부로 횡방향으로 배치된 추가 핀들이 장착될 수 있고, 상기 핀들은 기계적 안정성을 향상시킨다. 이와 같은 상황은, 특히 높은 내부 압력이 요구되는 경우, 예를 들어 냉각 매체로서 부분 플루오르화 매체 또는 이산화탄소가 사용되는 경우 필요하다.
도 8 및 도 9는 직사각형에 가까운 플러그인 부재(16)의 단면도이다. 본 도면에 구현된 자유 단면적은 대략 4×25㎟이다. 둘레를 둘러싸며 탄성 중합체 씰(15)이 적용되어 있다.
상기 플러그인 부재(16)는 내부에 장착된 버팀대들(17)에 의해 기계적으로 안정화되어 있다. 안정성을 향상시키기 위해, 버팀대들(17)이 장착되어 있다. 이와 같은 버팀대들(17)은 유동을 감소시키도록 구현될 수 있거나, 또는 열 전달 부재로서 형성될 수 있다.
또한, 상기 프레임(4a)을 구성하는 것과 다른 재료로 상기 플러그인 부재(16)를 제조할 수 있다. 상기 플러그인 부재(16)는 금속으로 제조될 수 있다. 그럼으로써, 동일한 압력 손실에서 열 전달이 향상될 수 있다.
이전에 언급된 버팀대들(17)이, 상기 프레임(4a)의 온도 조절될 표면 또는 측면에 관류 용액을 전달하고, 그에 따라 열 전달을 향상시키는 유동 부재로서 구현되는 것도 고려할 수 있다. 구체적으로, 이와 같은 표면 또는 측면은 셀을 향하는 프레임(4a)의 측면, 말하자면 내측이다. 이 경우, 유동판 및/또는 유동 플레이트를 사용하는 것을 고려할 수 있다.
도 10 내지 도 19는 플러그인 부재들(12) 내부의 씰들(15)의 개략도이다. 하나의 플러그인 부재(12)는 방사 방향으로 그리고/또는 축 방향으로 밀봉 작용하는 씰(15)을 포함한다. 이를 위해, 하나의 씰(15)은 다수의 부분 씰(18, 19)을 포함한다. 따라서, 이러한 씰(15)은 멀티립 디자인으로 설계되어 있다. 축 방향의 부분 씰들(18) 및 방사 방향의 부분 씰들(19)이 제공되어 있다.
상기 플러그인 부재들(12)은 종단 정지부로서 이용될 수도 있다.
플러그인 부재들(12)의 씰들(15)은 축 방향으로 그리고 방사 방향으로 밀봉 작용하는 연결부들이 달성되도록 배치되어 있다. 이 경우, 상기 씰들(15)은 플러그인 부재(12)의 단지 수 부재에만 장착될 수 있거나, 단지 암 부재에만 장착될 수 있거나, 또는 수 부재 및 암 부재에 장착될 수 있다.
도 16은, 본 도면에서는 플러그인 부재(12)의 수 부재(13)에 추가 리브들(20, 21)을 장착함으로써, 씰(15)의 종단 정지부가 보장될 수 있다는 사실을 도시한다. 이와 같은 방식으로 상기 씰(15)은 서브 결합부에 놓인다.
본 도면에는 축 방향 및 방사 방향의 종단 정지부들이 나타나 있다. 하나의 리브(20)는 축 방향으로 작용하고, 하나의 리브(21)는 방사 방향으로 작용한다. 각각 하나의 방향으로만 작용하는 종단 정지부들도 고려할 수 있다.
도 17a는 적어도 하나의 플러그인 부재(12) 내에 유동판(22)이 배치되어 있다는 사실을 개략적으로 도시한다. 상기 유동판(22)은 냉각 채널(6a) 내에 배치되어 있고, 이때 냉각 매체의 유동은 셀을 향하는 프레임의 유동 표면(23) 쪽으로 이루어진다.
그뿐만 아니라 도 17a는 적어도 하나의 플러그인 부재(12) 내에 유동 표면(23)이 배치되어 있다는 사실도 도시한다. 상기 유동 표면(23)은 셀 바디(1)의 방향으로 장착되어 있다.
도 17b는 상기 유동 표면(23)이 상승한 거칠기를 갖는다는 사실을 도시한다. 상기 유동 표면(23)은 상승한 열 전도성을 갖는다. 이와 같은 상황은, 금속 삽입부(24), 소위 인서트를 사용함으로써 구현된다.
유동판들 및 경우에 따른 대응 표면들은 단지 수 부재(13) 내에만 구현될 수 있거나, 단지 암 부재(14) 내에만 구현될 수 있거나, 또는 각각 상기 2개의 부재(13, 14) 중 하나의 부재 내에 구현될 수 있다. 2성분-제조 프로세스를 사용하는 경우, 상기 유형의 실시예들은 간단하게, 그리고 예를 들어 인서트를 사용함으로써 대부분 추가적인 복잡성 없이 제조될 수 있다. 또한, 유동판들을 구조물 보강 부재로서 이용하는 것도 고려할 수 있다.
도 18은 플러그인 부재(12)를 통해, 그 내부에 냉각 채널(6a)이 형성되어 있는 적어도 하나의 파이프(25)가 안내되어 있는 어레인지먼트를 도시한다.
도 18은 프레임들(4a)의 개구 내에 위치 설정된 별도의 파이프(25)를 도시한다. 이 경우, 상기 프레임(4a)들 사이의 연결은 이전에 기술된 방법들에 따라 이루어질 수 있다. 그럼으로써, 냉각 순환계와 프레임(4a)의 완전한 분리가 이루어진다. 누출에 대한 높은 안정성이 주어진다. 또한, 상기 파이프들(25)이 안정성 향상에 기여하기 때문에 상승한 안정성이 주어진다.
씰(15)을 통한 냉각 매체의 침투가 발생하지 않을 수 있다. 따라서, 씰 재료는 냉각 매체에 대해 안정성을 갖지 않아도 된다. 예를 들어 열가소성 탄성 중합체를 사용할 수 있다. 시스템은 높은 압력에 대해서도 설계될 수 있다. 이와 같은 방식으로 냉각 매체로서 부분 플루오르화 냉각 매체 또는 이산화탄소를 사용할 수 있다.
도 19는 파이프(25)가 플러그인 부재(12)의 각각 하나의 개구를 통해 안내되어 있고, 이때 상기 파이프(25)와 적어도 하나의 개구의 내벽(27) 사이에 공차 보상 수단(26)이 배치되어 있는 어레인지먼트를 도시한다.
도 19는 프레임들(4a)의 개구 내에 위치 설정된 별도의 파이프(25)를 도시한다. 상기 파이프(25)와 하나의 개구의 내벽(27) 사이에는 공차 보상 수단(26)으로서 보상 층이 위치 설정되어 있고, 상기 보상 층은 파이프(25)와 프레임(4a) 사이의 형상 결합(form-fitting)을 보장한다. 그럼으로써, 열 전달은 최적화된다.
상기 보상 층은 열 전도성 탄성 중합체를 포함할 수 있다. 이 경우, 탄성 중합체를 위한 보상 볼륨은 프레임들(4a) 사이의 영역에서 주어지는 것이 바람직하다. 상기 보상 층은 열 전도성의 열가소성 탄성 중합체를 포함할 수 있다. 이 경우에도 탄성 중합체를 위한 보상 볼륨은 프레임들(4a) 사이의 영역에서 주어지는 것이 바람직하다. 열 전도성 탄성 중합체 폼(elastomeric foam)이 적용될 수도 있다. 이와 같은 경우에 별도의 보상 볼륨은 생략될 수 있는데, 그 이유는 폼이 자체 구조에서 압축 가능하기 때문이다.
계속해서 외부 하우징을 채널(6a) 안에 포함하는 것을 고려할 수 있다. 첫 번째 또는 마지막 프레임(4a)을 하우징에 연결하는 것을 고려할 수 있다.
프레임들(4a) 및/또는 플러그인 부재들(12)에 추가 클립(clip)이 제공될 수 있다. 그럼으로써, 추가적인 안전 기능이 구현되는데, 그 이유는 이웃한 프레임들(4a)이 힘 작용 없이는 서로 분리될 수 없기 때문이다.
도 20은 적어도 하나의 플러그인 부재(12) 내에 열 전도성 리브(28)가 배치되어 있다는 사실을 도시한다.
도 20은 유동 채널(16a) 내부의 열 전달을 향상시키기 위해 열 전도성 리브들(28)이 장착되어 있는, 도 7에 도시된 직사각형에 가깝게 구현된 플러그인 부재(16)를 도시한다. 그럼으로써, 관류하는 냉각 매체와 프레임 바디(4) 사이의 열 전달이 향상된다. 이 경우, 상기 열 전도성 리브들(28)은 셀을 향하는 프레임(4a)의 측면에 장착될 수 있다.
이 경우, 상기 열 전도성 리브들(28)은 비용 저렴하면서 단순한 생산을 가능하게 하는 프레임 재료로 구성될 수 있다. 대안적으로 열 전도성 리브들(28)은 높은 열 전도성을 갖는 재료, 특히 금속으로 구성될 수 있다.
도 21은 그 내부에 열 전도성 리브들(28) 옆에 기계적인 보강 작용을 하는 버팀대들(17)이 장착되어 있는, 도 20에 도시된 것과 동일한 플러그인 부재(16)를 도시한다. 이와 같은 버팀대들(17)은 이미 도 9와 관련하여 기술되었다.
도 22는 최상의 냉각 효과를 갖는 프레임(4a)을 도시한다. 이러한 프레임들(4a)은 금속 보강 부재들(29)에 의해 서로 연결된다. 냉각 매체는 프레임 평면(4b)을 통해 수직으로 골조 형태의 리세스들(30)을 관류한다.
내부에 대한 밀봉은 둘레를 둘러싸는 내부 씰(31)에 의해 보장된다. 외부에 대한 밀봉은 평행하게 둘레를 둘러싸는 외부 씰(32)에 의해 보장된다.
도 22에 나타나 있는 것처럼, 상기 내부 씰(31) 및 상기 외부 씰(32)은 배출 채널들(9)의 영역 내에서 계속해서 평행하게 진행할 수 있거나, 또는 인터페이스(33)의 영역 내에서 합쳐짐으로써, 상기 배출 채널(9)이 개방 상태를 유지할 수 있다.
도 7에 나타나 있는 것처럼, 냉각 매체가 관류하는 골조 형태의 구조물이 섹션 방식으로 프레임 평면(4b)으로부터 돌출되어 나와서 이웃한 프레임(4a)의 리세스들 내로 돌출하여 들어가는 것도 고려할 수 있다. 이 경우, 상기 돌출하는 구조물은 재차 둘레에서 밀봉되어야 한다. 상기 돌출하는 구조물은 둘레의 짧은 섹션들(33a) 또는 긴 섹션들(33b)을 포함할 수 있다.

Claims (24)

  1. 셀들을 고정하기 위한 프레임(4a)으로서,
    그 내부에 적어도 하나의 냉각 매체용 냉각 채널(6a, 16a)이 형성되어 있는 프레임 바디(4)를 포함하고,
    상기 프레임(4a)은 다른 프레임(4a)과의 연결을 위해 적어도 하나의 플러그인 부재(plug-in piece)(12, 16)를 포함하며, 상기 냉각 채널(6a, 16a)은 적어도 부분적으로 상기 플러그인 부재(12, 16) 내부에서 진행하고,
    상기 플러그인 부재(12, 16)는 적어도 부분적으로 프레임 평면(4b)으로부터 돌출되어 나옴으로써, 이웃한 프레임(4a)의 플러그인 부재(12, 16)의 보완적인 개구 내로 돌출하여 들어갈 수 있고,
    상기 플러그인 부재(12, 16)는 적어도 하나의 씰(seal)(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플러그인 부재(12, 16)는 원형 또는 직사각형의 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 플러그인 부재(12, 16)는 수 부재(male part)(13) 및 암 부재(female part)(14)를 포함하고, 상기 수 부재(13)는 이웃한 프레임(4a)의 암 부재(14) 내로 삽입되기에 적합하고, 상기 암 부재(14)는 이웃한 프레임(4a)의 수 부재(13)를 수용하기에 적합한 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플러그인 부재(12, 16)와 상기 씰(15)은 일체형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 씰(15)은 O-링들 또는 삽입부들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 플러그인 부재(12, 16)는 방사 방향으로 그리고/또는 축 방향으로 밀봉 작용하는 씰(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 씰(15)은 다수의 부분 씰(18, 19)을 포함하며, 다시 말해 멀티립 디자인(multi-lip design)으로 설계되어 있는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 프레임은 최대 10bar까지의 압력을 견디는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  11. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    적어도 하나의 플러그인 부재(12, 16) 내에는 유동판(flow plate)(22)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  12. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    적어도 하나의 플러그인 부재(12) 내에는 유동 표면(flow surface)(23)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유동 표면(23)은 증가된 거칠기를 갖는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 유동 표면(23)은 증가된 열 전도성을 갖는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 유동 표면(23)은 셀 바디(1)의 방향으로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  16. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    적어도 하나의 플러그인 부재(12, 16) 내에는 열 전도성 리브(thermal conductive rib)(28)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  17. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    적어도 하나의 플러그인 부재(12, 16) 내에는 클립 부재(clip element)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  18. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 플러그인 부재(16)는 내부에 장착된 버팀대들(17)에 의해 기계적으로 안정화되어 있는 것을 특징으로 하는, 셀들을 고정하기 위한 프레임.
  19. 제1항 또는 제3항에 따른 적어도 2개의 프레임(4a)을 포함하는 어레인지먼트로서,
    상기 프레임들(4a) 사이에 하나의 셀이 배치되어 있고, 제1 플러그인 부재(12)의 수 부재(13)는 제2 프레임(4a)의 암 부재(14) 내로 돌출하여 들어가며, 그리고 상기 플러그인 부재들(12)을 통해 냉각 매체용 냉각 채널(6a)이 안내되어 있는, 적어도 2개의 프레임을 포함하는 어레인지먼트.
  20. 제19항에 있어서,
    수 부재(13) 및/또는 암 부재(14)에 배치되어 있는 씰은 메인 결합부(main force connection) 또는 서브 결합부(sub force connection)에 놓이는 것을 특징으로 하는, 적어도 2개의 프레임을 포함하는 어레인지먼트.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 플러그인 부재들(12)을 통해, 그 내부에 상기 냉각 채널(6a)이 형성되어 있는 적어도 하나의 파이프(25)가 안내되어 있는 것을 특징으로 하는, 적어도 2개의 프레임을 포함하는 어레인지먼트.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 파이프(25)는 플러그인 부재(12)의 각각 하나의 개구를 통해 안내되어 있고, 상기 파이프(25)와 적어도 하나의 개구의 내벽 사이에 공차 보상 수단(26)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 적어도 2개의 프레임을 포함하는 어레인지먼트.
  23. 제19항에 있어서,
    외부 하우징은 냉각 채널(6a, 16a)의 부분이고, 마지막 프레임(4a)의 플러그인 부재(12, 16)는 상기 하우징의 보어(bore) 내로 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는, 적어도 2개의 프레임을 포함하는 어레인지먼트.
  24. 제19항에 따른 어레인지먼트를 포함하는 배터리 시스템.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10566588B2 (en) 2016-09-21 2020-02-18 Ford Global Technologies, Llc Battery cell support assembly
KR102178786B1 (ko) 2017-03-03 2020-11-13 주식회사 엘지화학 카트리지 및 이를 포함하는 배터리 모듈
US11024900B2 (en) 2017-04-20 2021-06-01 Ford Global Technologies, Llc Battery cell support assembly
EP3514851B1 (en) 2018-01-23 2019-12-04 Samsung SDI Co., Ltd. Coolant distribution interface for a battery module housing
DE102018102927A1 (de) * 2018-02-09 2019-08-14 Voss Automotive Gmbh Fluidverteilermodul für ein modulares Temperiersystem und Temperiersystem
DE102018209887A1 (de) * 2018-06-19 2019-12-19 Robert Bosch Gmbh Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen
DE102021119164A1 (de) 2021-07-23 2023-01-26 Man Truck & Bus Se Vorrichtung zur Kühlmittelversorgung eines elektrischen Energiespeichers
SE2250971A1 (en) * 2022-08-17 2024-02-18 Cuberg Inc Pouch battery cell system

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102412376A (zh) * 2010-09-21 2012-04-11 卡尔·弗罗伊登伯格公司 用于电池中的密封框架和电池

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH647852A5 (en) 1980-08-18 1985-02-15 Geberit Ag Sealing collar for pipe bushings
JP2606335Y2 (ja) * 1992-06-29 2000-10-23 住友電気工業株式会社 レドックスフロー電池のセル
JPH07205239A (ja) 1994-01-26 1995-08-08 Mitsubishi Gas Chem Co Inc プラスチックレンズの製造方法
US7138203B2 (en) * 2001-01-19 2006-11-21 World Properties, Inc. Apparatus and method of manufacture of electrochemical cell components
US20030170528A1 (en) * 2002-03-11 2003-09-11 Honeywell International, Inc. Moldable separator plate for electrochemical devices and cells
DE112005001954B4 (de) * 2004-08-19 2009-10-15 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Verfahren zum Ausbilden einer hydrophilen Oberfläche auf einem Brennstoffzellenelement mit einer Bipolarplatte und Brennstoffzellensystem
US8465863B2 (en) * 2008-04-09 2013-06-18 GM Global Technology Operations LLC Batteries and components thereof and methods of making and assembling the same
JP5405858B2 (ja) * 2008-04-14 2014-02-05 日産自動車株式会社 組電池、組電池の製造方法および組電池を搭載した車両
EP2273162B1 (de) 2009-07-06 2019-01-09 Carl Freudenberg KG Dichtungsrahmen zur Verwendung in einer Batterie
US9065158B2 (en) 2010-05-28 2015-06-23 GM Global Technology Operations LLC Corrugated fin and frame assembly for battery cooling
US8673473B2 (en) 2010-08-10 2014-03-18 GM Global Technology Operations LLC Integrated cooling fin and frame
AT511887B1 (de) * 2011-09-12 2016-05-15 Avl List Gmbh Wiederaufladbare batterie
DE202011052087U1 (de) * 2011-11-24 2013-02-25 Rehau Ag + Co. Rahmen und System zum Halten und Temperieren einer Batteriezelle
EP2608309A1 (de) 2011-12-21 2013-06-26 Fortu Intellectual Property AG Batteriemodul mit Batteriemodulgehäuse und Batteriezellen
KR101413489B1 (ko) * 2012-04-06 2014-07-02 인지컨트롤스 주식회사 전기자동차용 배터리
US9960395B2 (en) * 2012-08-16 2018-05-01 Lg Chem, Ltd. Battery module

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102412376A (zh) * 2010-09-21 2012-04-11 卡尔·弗罗伊登伯格公司 用于电池中的密封框架和电池

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Publication number Publication date
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