KR101986235B1 - 자동차용 배터리팩의 전기 모듈용 하우징 및 이와 관련된 배터리팩 - Google Patents

자동차용 배터리팩의 전기 모듈용 하우징 및 이와 관련된 배터리팩 Download PDF

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제랄 앙드레
삘립쁘 질로뜨
질 엘리오
뱅생 푀이야르
프레데릭 라드레그
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꼼빠니 쁠라스틱 옴니움
발레오 시스템므 떼르미끄
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Abstract

본 발명은 자동차용 배터리팩의 하우징에 관한 것이다. 여러 셀을 포함하는 모듈이 열제어판과 연결된다. 하우징의 벽은 양각 요소를 포함하고 판에 체결력을 가한다. 본 발명은 또한, 배터리팩에 관한 것이다.

Description

자동차용 배터리팩의 전기 모듈용 하우징 및 이와 관련된 배터리팩 {HOUSING FOR AN ELECTRICAL MODULE OF A BATTERY PACK FOR A MOTOR VEHICLE, AND ASSOCIATED BATTERY PACK}
본 발명은 자동차용 배터리팩의 전기 모듈용 하우징 및 이에 관련된 배터리팩에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, "셀(cell)"은 전류를 생성할 수 있는 단일의 전기 장치를 나타낸다. 셀은 통상 2 내지 4 볼트, 일반적으로는 3.7 볼트의 전압을 발생할 수 있으며, 일반적으로는, 이보다 더 높은 전압을 공급하기 위해서, 직렬로 조립된 다른 셀들과 연결되도록 설계된다.
셀은 경질 또는 연질의 외피(envelope)를 가질 수 있다. 연질 외피를 갖는 경우에는 "파우치 셀(pouch cell)"이라고 부른다.
"모듈(module)"이란 자체적으로 지지되는 경질 구조를 갖는 여러 셀들의 집합을 지칭하는데, 이 자체 지지되는 경질 구조는 경질 또는 연질 외피를 갖는 여러 개의 셀(서로 옆으로 배열됨)이 포함된 단일의 경질 외피로 구성되거나, 또는 경질 외피를 갖는 여러 셀들의 조립체로 구성된다.
마지막으로, "배터리팩(battery pack)"은 적어도 하나의 모듈과 이 모듈을 위한 열제어 수단(적어도 하나의 열제어판으로 구성됨)이 포함된 전기 조립체를 지칭한다.
일반적으로는 열제어판을 냉각시키고 이에 따라 모듈을 냉각한다. 그러나 기후 조건이 불리할 때에는 열제어판은, 모듈을 최적 작동 온도로 올리기 위하여 가열하는 데 사용할 수도 있다(최소한 일시적으로). 열제어판은 열 전달 유체를 순환시키는 내부 통로(채널)를 포함할 수 있다.
미국 특허 2010/0025132A2에는, 43℃ 아래로 온도를 유지하는 냉각판과, 차량의 메인 냉각 회로로부터의 냉기를 순환시키는 히트싱크 또는 시스템이 장착된 전기 셀 모듈이 개시되어 있다.
이러한 유형의 조립체에 있어서, 모듈과 냉각판 사이의 접촉 품질은 우수해야 한다. 그러나 이러한 결과를 얻기는 어렵다. 왜냐하면 이를 위해서는 셀 및 냉각 수단의 치수가 매우 정밀해야 하는데, 일반적으로는 그러하지 않기 때문이다. 또한, 이들 구성요소의 치수는 배터리팩의 수명 기간 동안에 변화되거나 증가할 수 있다. 결과적으로, 종래 기술에서 제안된 것과 같은 단순한 적층으로는 모듈과 냉각 수단 사이에서의 최적의 열 전도에 요구되는 조건을 얻지 못한다.
두 표면 사이에서의 열 전도의 문제에 직면하여, 이들 표면 사이에 열전도 매체(예컨대, 열전도 필름)를 삽입하는 것이 또한 공지되어 있다. 이 열전도 필름을 "써멀패드(thermal pad)"라 부르기도 한다. 이러한 써멀패드의 일례로서 세라믹이 함유된 실리콘 필름이 있는데, 이는 모듈의 각 셀의 하부 벽의 낮은 평탄도나 정렬 결함 및 냉각판의 평탄도 결함을 보상함으로써 각 셀과 냉각판 사이의 열전도를 향상시킨다. 그러나, 이러한 보상은 대략 1/10 mm 정도에 불과하여 모든 셀 조립체에서의 접촉 결함을 보상하기에는 충분하지 않다. 또한, 이러한 열전도 필름을 사용한 보상은 여전히, 냉각판이 셀에 제대로 밀착되는지 여부에 의존한다.
따라서 온도 조절을 하고자 하는 모듈에 냉각판을 밀착시키는 효율적인 방법에 대한 필요성이 있다.
본 발명의 목적은 모듈과 열제어판 사이에 우수한 열적 접촉을 보장하는 신규하고 간단하며 저렴한 해결방안을 제안하는 것이다. 이 해결방안은 이미 공지되어 있는 열전도 필름과 함께 적용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 자동차용 배터리팩의 하우징(housing)에 관한 것으로서, 이 하우징은 열제어판(heat-regulating plate)과 연결되는 다수의 전기 셀(electric cell)들의 집합으로 구성되는 적어도 하나의 모듈(module)이 담기도록 설계된 내부 공간(inner space)을 포함하며, 이 내부 공간에 모듈이 설치될 때에 상기 열제어판에 닿도록 설계되는 적어도 하나의 벽(wall)을 갖는다. 이 하우징은 벽을 모듈에 체결(tightening)하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하고, 이 하우징의 상기 벽은, 열제어판을 향하는 면에, 하우징의 내부 공간 쪽으로 굴곡된 볼록곡률(convexity)을 갖는 공간에 포함되는 양각 요소(element in relief)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 벽은 격벽(partition)의 내면을 나타낸다. 이 격벽은 하우징의 하부일 수 있는데, 이 경우에 격벽의 외면은 하우징의 하부의 외면이다. 또는 이 격벽은, 예를 들어 하우징의 두 공간을 분리하는 하우징의 내부 격벽일 수 있는데, 이 경우에 격벽의 외면은 하우징 내에 위치하지만 모듈이 담기는 내부 공간에는 위치하지 않는다.
벽은 열가소성 재료(예컨대, 폴리프로필렌), 열경화성 플라스틱 재료(예컨대, 폴리에스테르), 또는 이들 두 재료의 혼합물로 만드는 것이 유리하다. 선택사항으로서, 벽 재료에는 유리 또는 탄소 섬유, 폴리에틸렌 또는 그 밖의 성분, 성형 알루미늄(예컨대, 압축 성형), 주형 알루미늄이 포함될 수 있다.
본 발명에서 상기 볼록한 공간에 양각 요소가 있다는 것은, 벽에 가해지는 체결(죔) 압력을 열제어판으로 전달하도록 양각 요소가 배열되고 크기가 정해진다는 것을 반영한다. 여기서, 체결 압력이란, 체결(죄기)에 의해서 벽의 변형이 일어나는 것에 불구하고 벽과 양각 요소가 서로 밀착되도록 하는 압력이다.
"체결에 의한 변형"이란 벽이 판에 아무런 체결 압력을 가하지 않는 상태와 벽이 판에 압력을 가하는 상태 사이에서 일어나는 벽의 형상의 모든 변형을 의미한다. 따라서 이 표현에서는 벽에 내재된 기하학적 결함 및 체결에 무관하게 발생된 결함(예를 들어, 성형 결함)은 제외된다. 여기서 고려하는 변형은 소성 변형 또는 탄성 변형이다.
양각 요소의 볼록곡률은 체결시에 발생되며 그 주변부보다는 중심부에서 더 돌출되는 벽의 변형을 보상하도록 설계된다. 당업자는, 계산을 통해서 그리고/또는 일련의 실험을 통해서, 특히 벽의 치수, 재질, 두께, 및 체결력을 고려하여, 벽의 변형을 정확하게 보상하기 위해 필요한 높이와 볼록곡률을 알아낼 수 있을 것이다.
체결 수단은 하우징을 닫기 위한 수단으로 구성될 수 있는데, 여기에는 하부 및 덮개가 포함된다. 이 하부 또는 덮개에는 열제어판에 밀착되도록 하기 위한 벽이 포함된다.
체결 수단은 또한, 하우징을 아직 닫지 않은 경우라도 모듈을 벽에 직접 부착하는 수단, 예를 들면, 모듈의 양쪽 측에 체결되는 측지지대(flank)를 포함할 수 있다.
두 경우 모두에서, 체결 수단은 체결 방향 S를 정의하는데, 이 방향은 예를 들면 벽에 대해 수직일 수 있다.
체결 수단이 체결 방향을 정의하는 특별한 실시예에서, 양각 요소의 볼록곡률은 다음과 같은 특징으로써 정의된다. 여기서, 높이는 체결 방향으로의 계측치이다.
- 양각 요소의 적어도 하나의 최고점(절대치) H의 존재,
- 최고점(절대치)을 통과하며 체결 방향 S에 평행하게 지나가는 적어도 하나의 투영 평면 P의 존재. 이 평면에 있어서, 양각 요소의 임의의 영역(체결 방향 S에 수직하며 최고점을 통과하는 제2 평면 P'에 위치한 소정 직경의 디스크를 양각 요소에 투영하여서 얻어짐)에 적어도 하나의 최고점(상대치) Hi가 있는데, 이 Hi를 투영 평면에 직각 투영(정사영)하여 나온 투영점 hi의 투영 평면 상에서의 높이는, 상기 투영점과 최고점(절대치) H 사이의 거리에 따라서 감소한다.
위의 정의에서, "점(point)"은 양각 요소의 아주 작은 영역을 의미하는 것으로서, 투영 연산에 요구되는 수학적 의미에서서의 점(이는 상기 영역의 거의 중심에 있음)과 유사한 점을 나타낸다.
따라서 양각 요소의 최고점은 열제어판과의 접촉 영역들의 층을 구성하는데, 이는, 체결시에 벽이 변형되더라도, 즉시로 또는 시간을 두고, 반구형태를 따르게 되며 상기 열제어판의 실효적 체결을 보장한다.
이들 접촉 영역은 연속된 영역 또는 불연속적 영역을 구성할 수 있다. 예를 들어, 1군의 "선형"(즉, 작은 폭과 긴 길이의 영역) 접촉 영역일 수도 있고, "점"(즉, 작은 영역) 접촉 영역일 수도 있다.
본 발명의 제1 실시예에서, 양각 요소는 하우징의 내부를 향해 볼록하게 굴곡된 볼록곡률을 갖는 고형체(solid)를 포함한다.
이 실시예의 제1 변형예에 따르면, 고형체는, 벽의 내측면으로부터 돌출하고 하우징의 내부를 향하는 반구형 포락선(envelope)(예를 들어, 둥근 캡 모자)을 이루며 그 꼭대기는 벽의 거의 중심에 있는 리브(rib)들로 구성된 망(network)을 포함한다.
리브들로 이루어진 망(리브 망)은 벽과 일체로 성형되는 것이 유리하다.
이들 리브는 그 저부의 반대 쪽인 상부 자유단을 포함한다.
상부 자유단은 볼록할 수 있는데, 이 경우에 각각의 리브와 열제어판 사이의 접촉이 상부 자유단을 따라 이루어지게 되어서 선형 접촉 영역(즉, 길고 좁은 영역)이 형성된다.
상부 자유단은 또한, 파동 형태 또는 성곽 형태일 수 있는데, 이 경우에 각각의 리브와 열제어판 사이의 접촉은 상부 자유단의 꼭대기에서 일어나게 되어서 점 접촉 영역이 형성된다.
이 실시예의 제2 변형예에 따르면, 고형체는, 하우징의 내부로 향하는 볼록한 형상으로 벽을 가공함으로써 제작되는데, 이 볼록 형상은, 벽 두께를 비교적 일정하게 만들되 하우징의 외부 쪽을 오목하게 가공하거나, 벽을 더 두껍게 하여서 예컨대 그 주변부는 얇고 그 중앙으로 갈수록 두꺼우며 그 바깥쪽 면은 거의 평평하게 함으로써 만들어진다. 리브는 또한 벽을 보강하기 위하여 벽의 외측에도 구비될 수 있다.
제3 변형예에 따르면, 고형체는 하부 벽에 형성된 1군의 스터드(stud)를 포함하고, 각 접촉 영역은 스터드의 상단이 된다.
앞에서 "ㆍ적어도 하나의 최고점(절대치)의 존재, ㆍ최고점(절대치)을 통과하며 체결 방향에 평행하게 지나가는 적어도 하나의 투영 평면의 존재"로 정의한 의미에서의 양각 요소의 볼록곡률을 확인하기 위한 방법은 다음과 같이 수행될 수 있다.
1) 판과 모듈의 크기에 따라 직경 D를 정의한다. D는 20 내지 80mm이고, 바람직하게는 30 내지 60mm이다.
2) 양각 요소의 최고점(절대치) H를 찾는다.
3) H를 통과하고 체결 방향에 수직인 평면 내에서, D/√2(여기서 √2는 2의 제곱근임)의 변을 갖는 사각 메쉬 형태로 격자를 생성하고 고형체의 볼록 표면에 디스크를 그린다.
4) 각 투영된 영역(판의 볼록곡률을 무시하면, 거의 디스크 형태임) 내에서, 양각 요소의 최고점 Hi(상기 영역에 대한 상대값임)를 찾는다.
5) H를 통과하며 체결 방향에 평행하고 벽의 가장 긴 치수에 평행한 평면 P를 취한다.
6) 평면 P로부터 직경 D보다 작은 거리에 위치한, 단계 3에서 구한 최고점들 Hi를 평면 P에 수직으로 투영하여 투영점들 hi를 구한다.
7) 평면 P에서, 모든 투영점들 hi와 최고점 H를 통과하는 파선(broken line)이 볼록한지 확인한다.
8) 벽의 전체 영역을 쓸고 지나갈 때까지 평면 P를 체결 방향을 중심으로 회전시키고, 각 구간마다 상기 단계 5와 6을 반복한다.
본 발명의 제2 실시예에서는, 앞서와 양립적으로, 양각 요소는, 하우징의 내부를 향해 볼록한 형상의 외측면을 갖는 변형가능한 재료로 된 블럭을 포함한다.
이 변형가능 재료는 폼(foam)일 수 있다.
이 변형가능 재료로 된 블럭은, 연속된 영역 또는 불연속적 영역으로서, 예를 들어, 1군의 선형 또는 점 접촉 영역을 형성하는 접촉 영역을 만들기 위하여 앞서 설명한 형상을 가질 수 있다.
앞의 실시예들을 조합할 수도 있다. 본 발명의 범위에는, 예를 들어, 두꺼운 하부 벽을 갖는 하우징이 포함되는데, 이 하우징은 하우징의 내부를 향해 볼록곡률을 갖는 고형체로써 완성된다.
벽은 제1 방향으로의 가장 긴 치수 L을 갖고, 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 따라 두 번째 긴 치수 l을 갖는 것이 유리하다. 리브들로 된 망 또는 볼록 형상의 폼으로 된 벽 또는 블럭의 경우에서처럼, 양각 요소가 내부를 향하여 굴곡된 볼록곡률을 갖는 경우에, 이 볼록곡률의 최고 높이, 즉, 양각 요소의 최고점과 최저점 사이의 높이 편차는 벽(그 두께는 제외함)의 상기 두 치수 L과 l 중 하나의 2% 미만인 것이 바람직한데, 이보다 더 작은 것이 바람직하다. 0.1% 내지 2%가 바람직하며, 0.2% 내지 0.5%가 더 바람직하다. 500mm 변의 정사각형 벽의 경우에, 양각 요소의 볼록곡률의 최대 높이는 2mm일 수 있다. 그럼에도 불구하고 볼록곡률의 최대 높이는, 치수 L과 l에 상관없이, 절대치로서 5mm를 초과하지 않아야 한다.
본 발명은 또한, 열제어판과 연결되는 적어도 하나의 모듈이 담기는 하우징을 포함하되, 이 하우징은 모듈의 열제어판에 닿도록 설계되는 적어도 하나의 벽을 갖고, 이 벽의 열제어판을 향하여 굴곡된 내측면에는 양각 요소가 배치되되 이 양각 요소는 벽에 의해서 가해지는 체결 압력을 열제어판으로 전달하도록 배치되고 그 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리팩에 관한 것이다. 여기서 체결 압력은, 체결에 의해서 벽의 변형이 발생되더라도, 양각 요소와 벽을 서로 접촉한 상태로 유지시키는 압력이며, 이때의 접촉은 최소한, 양각 요소의 점에서 이루어지며, 열제어판 상에 그려진(투영에 의해서) 20 내지 80mm 직경의, 바람직하게는 30 내지 60mm 직경의 모든 디스크에 적어도 두 개의 점들이 들어가도록 분포된다.
특별한 실시예에서, 각각의 셀은 경질 외피를 포함하며, 주어진 모듈에서의 셀들의 외피는 그 하부는 동일 평면에 있고 횡방향(셀-판-요철요소의 적층 방향을 기준으로 할 때의 횡방향임)을 따라 서로 압착됨으로써 경질 블럭을 이루게 된다.
바람직하게는, 셀들의 경질 외피는 그 밑변이 직사각형인 프리즘 형상이다. 그러나 다른 형상도 가능하다.
특별한 실시예에서는 동일한 열제어판을 여러 모듈들이 공유한다. 다른 실시예에서는 각 모듈이 각자의 열제어판을 갖는다.
본 발명에 따르면, 판을 하우징 내에 체결하는 즉시에 모듈과 열제어판 사이에 열전도가 일어나서 단시간에 양호한 열전도 효과를 얻게 되며, 그리고/또는 장시간에 걸쳐서 모듈과 열제어판 사이의 열전도는 열제어판이 하우징에 체결되지 않은 경우보다도 더 큰 정도로 유지된다. 즉, 자동차의 수명 동안에 모듈과 열제어판 사이의 열 교환 성능이 노화의 영향(특히, 온도 변화, 진동, 재료의 열화 등)을 받지 않고 유지되도록 열제어판과 모듈 사이의 접촉 품질이 확보된다.
판과 모듈의 체결 결함을 보상하기 위한 본 발명에 따른 양각 요소의 장점을 알 수 있다. 하우징을 닫아서 체결을 하든 또는 측지지대를 이용하여 벽에 모듈을 부착하여 체결을 하든, 모듈의 크기는, 체결점들, 즉, 하우징의 측벽들 또는 측지지대의 부착점들이 서로 너무 멀리 떨어지게 되어서 판이 휘게 되며, 체결점에서 멀리 떨어진 지역에서는 모듈에 판을 밀착시킬 수 없도록 되는 위험이 있다. 이는, 여러 셀들을 서로 조립하여서 큰 모듈을 구성하는 경우에 특히 그러하다.
본 발명에 따른 양각 요소를 사용하여, 열제어판을 모듈의 하부와 이 양각 요소 사이에, 모듈의 하부 벽 전체에 걸쳐서 균일하게 개재시킨다(써멀패드를 옵션으로 삽입할 수도 있음).
양각 요소를 사용하는 것에 대한 대안으로서, 열제어판을, 모듈을 구성하는 각 전기 셀의 하부에 고정하는 것을 들 수 있다. 그러나 이러한 방식은 열제어판을 각 셀의 하부에 부착하는 수단을 필요로 할 뿐만 아니라 배터리팩 조립 라인에 피부착 부품들을 공급하고 설치해야 하므로, 자재 증가 및 에너지 비용이 상당량 발생하게 된다. 본 발명은 이러한 단점을 회피한다.
판에 각 셀을 부착할 필요가 없음에 의해 얻을 수 있는 또다른 장점은, 판을 분리하거나 판 내에서 순환하는 열전달 유체를 배출시키지 않고도 불량 모듈을 용이하게 교체할 수 있다는 것이다.
본 발명의 특별한 실시예에서, 양각 요소에는 비압축성 액체가 담긴 파우치가 포함된다. 한 변형예로서, 이 액체는 겔이다.
이 액체가 주는 장점은, 판에 벽을 체결하는 힘에 의해 발생하여 이 액체에 가해지는 압력을 균일하게 그리고 동일한 방향으로(등방성) 전달시키는 것이다. 따라서 하우징의 체결력을 열제어판에 균일하게 분산하도록 설계된 어떠한 기계적 수단이라도 대체할 수 있는 장점이 있다.
또한, 액체 또는 겔은 적절한 단열 특성뿐만 아니라 전기 절연 특성을 띨 수 있다.
본 발명은 이하에서 한정적이지 않은 예로서 제시한 실시예들의 설명과 첨부도면을 참조함으로써 그 이해가 보다 쉬워질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리팩의 하우징이 닫힌 상태로 자동차의 하부에 장착된 것을 아래에서 바라본 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리팩의 부분 분해 횡단면도이다.
도 3은 하우징을 열어 놓은 배터리팩의 사시도이다.
도 4는 도 3에서 전기 모듈들 중의 한 층을 제거한 후의 도면이다.
도 5는 하우징을 연 상태에서 내용물을 완전히 제거한 상태의 상부 사시도이다.
도 6은 하우징을 연 상태에서 열제어판을 넣은 것을 나타내는 상부 사시도이다.
도 7은 배터리팩의 한 층의 조립된 구성요소들의 개략도이다.
도 8은 열제어판의 일부분을 아래에서 본 확대도로서, 하우징 하부 벽에 열제어판이 접촉하는 영역을 아래에서 바라본 모습이다.
도 9는 도 8에 도시된 열제어판의 부분에 해당되는 하부 벽의 IX-IX선 절개 단면도이다.
도 10은 하부 벽의 다른 실시예로서, 양각 요소가 리브들로 이루어진 망으로 구성되는 것을 나타낸다.
도 11은 양각 요소가 겔 파우치로 구성되는 것을 나타내는 배터리팩의 개략 단면도이다.
도 1은 자동차의 플로어(3) 아래에 배터리팩(1)의 장착을 위해 마련되어 있는 격실(5) 내에 배터리팩(1)이 장착된 것을 나타낸다.
플로어(3)는 폴리프로필렌으로 제작될 수 있다.
플로어(3) 하부에 배터리팩(1)을 장착하는 이러한 구성은 단순한 예시일뿐, 이에 국한되는 것은 아니다.
배터리팩(1)은, 도 2의 분해도에 더 자세히 나타낸 것처럼, 복합 재료로 제작된 대략 평행육면체의 하우징(7)을 포함하는데, 이 하우징은 상반부(7a)와 하반부(7b)로 구성되고 각각에는 접합변(8a, 8b)이 있다. 하반부(7b)의 접합변(8b)에는 씰(9)이 있다(도 4 및 도 6 참조).
상반부(7a)의 넓은 면(11)과 하반부(7b)의 넓은 면(13)에는, 플로어(3)에 하우징(7)을 고정하기 위한 부착 러그(15 및 17)가 각각 포함된다.
도 2의 분해도에는 특히, 하우징의 구성품들이 2개 층 E1, E2로 조립된 것을 도시하고 있는데, 이들 2개 층은 대략 동일하며 각각 내부 공간을 갖고 있다.
본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 하우징을 1층으로만 구성할 수도 있고 이와 달리 2층 이상으로 구성할 수도 있는 것이다.
여기서는 E1 층을 기준으로 설명하기로 한다. E2 층도 동일한 구성요소를 포함하는데, E1 층과 동일한 번호 및 기호 '를 사용하여 구성요소들을 참조하기로 한다.
도 3에서 명확히 알 수 있듯이, 한 층에는 서로 옆으로 배치된 5개의 전기 모듈(19-1, 19-2, 19-3, 19-4, 19-5)(이들을 참조번호 19로 통칭함)이 포함된다. 각 모듈에는, 그 자체적으로, 10개의 직사각형 프리즘형의 셀(21-1-1, 21-1-2, 21-1-3, 21-1-4, 21-1-5, 21-1-6, 21-1-7, 21-1-8, 21-1-9, 21-1-10; 21-2-1 ~ 21-2-10; ..., 21-5-1 ~ 21-5-10)(이들을 참조번호 21로 통칭함)이 포함되는데, 이들 셀은 그 넓은 면이 서로 밀착되도록 배열되되 각자의 하부가 동일 평면에 있고 각자의 작은 면도 동일 평면에 있도록 배열되어서, 전체적으로 직사각형의 평행육면체를 이룬다. 다른 셀 형상, 또는 모듈을 구성하는 1군의 셀의 다른 구성도 물론 고려할 수 있으며, 1군의 셀의 하부가 평탄하거나 거의 평탄한 한, 모듈의 전체 형상을 다양하게 적용하는 것이 가능하다.
모듈 19-1(또한 19-2, 19-3, 19-4, 19-5 각각)에서, 셀들은 측지지대(23-1)(각각 23-2, 23-3, 23-4, 23-5. 이들은 참조번호 23으로 통칭함)에 의해 서로 지지되는데, 측지지대는 평행육면체의 양단의 작은 면에 위치하며 네 개의 고정봉(25)(평행육면체 모듈의 각 큰 면에 두 개씩 위치함)으로 서로 연결된다. 5개의 모듈들은 하우징에서 나란히 배치되어 한 층을 구성할 때에 거의 동일한 평면에 유지된다.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 측지지대(23)는 평행육면체의 양단의 작은 면의 위와 아래로 튀어나오도록 되어 있는데(연장 형성), 특히, 셀(21)의 하부에 공간(31)을 형성하도록 되어 있다. 이 공간의 높이 e는 10 내지 20mm인 것이 유리하며, 보다 정확하게 말하자면 이 실시예에서는 17mm이다.
이렇게 조립된 전기 모듈(19)에서, 셀(21)의 하부는 거의 동일한 하부 평면을 이루며 상기 공간(31)의 천장을 구성한다.
이러한 직사각형 형태의 실시예에 따르면, 열제어판(33)은 해당 층의 전체 셀(21)의 하부 아래에 배치된다. 따라서 이 경우에는, 5개의 모듈(19)이 열제어판을 공유한다. 다른 실시예에서는, 각 모듈(19-1 내지 19-5)이 각자의 열제어판을 가질 수 있다. 열제어판(33)의 크기는 상기 공간(31) 내에 설치되도록 결정된다. 알루미늄으로 제작되며, 그 양측의 큰 면을 따라서 두 개의 주 통로(35)가 형성되는데, 여기에는 열 전달 유체가 흐르는 튜브(37)가 연결된다. 각 튜브는 도 3에 도시된 것처럼 하우징(7)의 관통공에 연결된다. E2 층에서, 튜브(37')는 하우징(7)의 하반부(7b)의 관통공(39, 41)을 통과한다. 각각의 주 통로(35)는 열제어판의 두께 방향으로 분포되어 있는 보조 통로(도시하지 않았음)와 서로 연통된다. 이와 다른 판 구성도 가능한데, 예를 들면, 주 통로를 열제어판의 큰 면을 따라 배치하는 방식이 가능하며 이와 다른 방식도 가능하다.
도 7에 도시된 바와 같이, 열제어판(33)과 함께 공간(31) 내에 있는 주 통로(35)는 이 공간(31)의 바깥쪽으로 높이 d만큼 튀어나온다.
열제어판(33) 위에는, 모듈(19) 및 판(33) 사이의 열전도를 향상시키기 위해 열전도 필름(43)(도 6에 E2 층의 필름(43')으로서 보다 명확하게 나타내었음)이 구비되는데, 이 필름은 세라믹이 포함된 실리콘으로 만드는 것이 바람직하다. 이 필름(43)의 두께는 특히 0.5 내지 1mm로 가변가능하며, 셀(21)의 하부와 판(33)의 표면 불완전성으로 인하여 생긴 요철에 작용하여서 접촉 면적을 증가시키며 따라서 이들 두 요소 간의 열전도 경로를 증대시킨다.
측지지대(23)는 상위 층 E1의 하부 벽을 이루는 분리 벽(53)에, 예컨대 스크류(49)를 통해 부착되는 하부 모서리(45)(이에 대응하여 상부 모서리(47)도 있음)를 갖는다. 분리 벽(53)은 도 4에 더 명확하게 도시되어 있다. 하위 층 E2에는 분리 벽(53)에 해당되는 하부 벽(53')이 있는데, 이는 도 5에서 더 명확하게 볼 수 있다.
본 발명의 측면에서, 이들 벽(53, 53')은 모듈의 열제어판(33, 33')에 닿도록 의도된 것이다. 하우징은 두 개의 내부 공간(참조번호 없음)을 포함한다. 즉, 각 층마다 하나의 공간이 있는데, 각 공간에는 다수의 전기 셀(21)의 집합으로 구성되는 모듈(19)이 포함되도록 의도되었다.
이하의 설명에서, 벽(53 또는 53')의 내측면은, 이 벽에 접촉된 열제어판(33, 33')과 상호작용하는, 모듈(19)이 담기는 내부 공간을 향하는 면을 의미한다.
도 7의 단면도에는 벽(53)과 열제어판(33)(필름(43)이 장착된)과 셀(21)을 어떻게 적층하는지를 보다 확실하게 나타내고 있다.
구체적으로, 벽(53)의 내측면 상에는, 열제어판(33)의 양측의 주 통로(35) 사이의 표면에, 수직 교차된 리브(55)들로 이루어진 망이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.
도면상에서는 높이 편차가 상대적으로 작기 때문에 구별하기 어렵지만, 리브(55)들은 하우징의 내부 쪽으로 반구형으로 된 포락선(envelope) 내에 위치하는 교차된 리브들의 망 형태로서 배열되며, 본 발명의 관점에서, 하우징의 내부를 향하여 볼록곡률이 있는 요철 형태로 된 요소(즉, 양각 요소)이다.
보다 상세하게, L은 벽의 가장 큰 치수(즉, 이 경우에는 벽이 직사각형이므로 그 길이를 의미함)이고, l은 그 다음 큰 치수(즉, 이 경우에는 그 폭)라고 할 때, 리브(55)들의 포락선은, 벽에 수직이고 그 폭 l의 방향에 평행한 평면에서만 반구형을 이룬다. 다시 말해서, 길이 L의 방향에 평행한 단면에서의 리브(55)의 높이는 전체 길이 L을 따라서는 동일하지만, 이 높이는 횡단면을 취하는 위치에 따라서는 변화되어 벽의 중심 대칭축 X에서 최대가 된다.
본 실시예의 예에서, 리브(55)의 볼록곡률의 최대 높이, 즉, 리브 망의 최저점과 최고점 사이의 높이의 편차는 폭 l의 1.5%이다(벽(53)의 두 치수 L 및 l보다 작음).
리브(55) 망은, 길이 방향의 각 양쪽 측면에, 열제어판(33)의 주 통로(35)가 수용될 수 있는 깊이 d의 요홈(57)을 갖는다.
각 요홈(57)에 연하여, 측지지대(23)의 하부 모서리(45)가 자리잡도록 하는 역할을 하는 지지부(59)가 폭 l의 방향에 평행하게 위치한다. 이들 지지부(59)의 일부에는 측지지대(23)의 하부 모서리(45)의 구멍(44)과 일치하는 체결공(60)이 형성된다. 각 모서리(45)에는 두 개의 구멍(44)이 있으며, 각 모서리(45)는 6개의 지지부(59)(이하에서는, 길이 방향으로 제1 내지 제6으로 번호를 붙임)에 해당되는 길이를 따라 전개되어서, 제2 내지 제5 지지부(59)는 전체적으로 덮지만, 제1 및 제6 지지부(59)는 이들 각각의 절반만을 덮는다. 이들 두 지지대 각각의 다른 절반에는 해당 측지지대(23)의 옆 측지지대가 수용된다.
체결공(60)은 체결 방향(여기서는, 흔한 경우로서, 대략 벽(53)의 평면에 수직인 방향)을 결정한다.
도 7에서 명확하게 볼 수 있는 것과 같이, 측지지대(23)의 하부 모서리(45)의 구멍(44)을 통과하여 스크류(49)와 체결공(60)을 죔으로써, 모듈(19)과 벽(53)이 밀착되며, 벽(53)과 셀(21) 사이에 열제어판(33)이 개재되고 열제어판(33)과 셀(21)의 하부 사이의 필름(43)이 눌려서 파괴된다.
리브(55)들이 이루는 포락선의 볼록 형상으로 인해, 체결시에 하부 벽(53)의 대칭축 X 쪽으로의 이동이 잠재적으로 증가하게 되어 발생되는 벽(53)의 변형이, 이 축에 가까울수록 높게 형성된 리브들에 의해서 보상된다.
따라서 특정 층에서는 다음과 같은 구성요소들이 적층된다.
- 모듈(19, 19')로 그룹화된 셀(21, 21'),
- 열제어판(33, 33')
- 체결 수단에 의해 모듈에 체결되는 벽(53, 53').
도 8은, 밀착 체결 후에 리브(55)의 압력이 가해지는 열제어판(33)의 영역들을 나타낸다.
이들 영역을 "접촉 영역"이라 지칭한다.
이 압력은 하부 벽(53)의 가장 높은 영역과의 접촉에 의해 발생된 것이다.
실제로, 접촉 영역들은 리브(55)의 상부 자유단에 착색 분말을 도포하여서 표시할 수 있다. 열제어판(33)에 하부 벽(53)이 밀착되면, 이 힘이 열제어판(33)에 전달되어서 도 8에 도시된 패턴이 형성된다.
도 8에서 볼 수 있듯이, 열제어판(33) 상에 직경 D의 임의의 디스크를 취하더라도 거기에는 항상 적어도 하나의 접촉 영역이 있다. 이 접촉 영역은 하부 벽(53) 상에서, 리브(55)의 상부 자유단의 최고점 Hi에 해당되는 것이다.
따라서, 디스크 61에는 최고점 63이 포함되고, 디스크 65에는 최고점 67이 포함되고, 디스크 69에는 최고점 71이 포함되고, 디스크 73에는 최고점 75가 포함되고, 디스크 77에는 최고점 79가 포함된다.
또한, 하부 벽(53)에는 최고점 81이 있다.
이들 최고점(63, 67, 71, 75, 79 및 81)들은, 도 9의 단면도에 도시된 바와 같이 리브 망을 이루는 리브(55)의 상단에 해당된다.
이 도면은 또한, 리브(55)의 상단의 단면이 둥글게 가공되어서 각 접촉 영역의 면적을 감소시킴을 나타내고 있다. 리브의 재질은 변형가능(탄성 또는 소성 변형)하기 때문에, 각 리브의 상단이 뭉개질 수 있어서 접촉 영역은 단순한 라인을 그리지 않게 된다.
따라서 열제어판(33)은 그 전체 표면에 걸쳐서 셀(21)과 최적의 접촉을 유지하게 된다. 여기서 "최적"이란 이들 두 부품 간의 접촉이, 서로 충분히 가까운 영역 내에서 일어남으로써, 두 인접한 지점이 거리 D보다 멀리 떨어지지 않는 상태를 나타낸다. 다른 말로 하자면, 열제어판(33)에 그려진 직경 D의 모든 원에 적어도 두 개의 접촉 영역이 포함되어서, 결과적으로, 열제어판과 셀 사이에 비교적 높은 그리고 일정한 밀도의 접촉 영역이 존재하게 되는 상태를 나타낸다.
도 10의 실시예에서, 벽(53)은 두 개의 큰 치수 L 및 l을 갖는다. 여기에는 사각 메쉬 형태로 된 수직 교차 리브(90)의 망으로 이루어지는 양각 요소를 포함한다.
이 리브(90) 망은, 리브(90)의 상부가 위쪽으로(이 도면을 기준으로 할 때) 반구 형태인 포락선 내에 있도록 볼록하다.
포락선의 볼록곡률은 L과 l의 두 방향으로 전개되며 그 최대 높이, 즉, 최저점과 최고점 간의 높이 편차는 l의 2%인 것이 유리하다. 단, 도 10에서는 그 곡률을 명확하게 나타내기 위하여 볼록곡률을 강조하여 표현하였다.
리브 망의 볼록곡률은 다음과 같은 절차로 확인할 수 있다.
1) 열제어판의 크기(본 경우에는 벽과 동일한 폭 l과 동일한 길이 L을 갖는 것으로 가정함)에 따라 직경 D를 정의한다. 본 경우에는 D=50mm를 취한다.
2) 위쪽 방향 화살표 S로 표시된 체결 방향으로의 벽의 최고점 H를 찾는다.
3) 최고점 H에 교차점이 있는, D/√2의 변을 갖는 사각 메쉬 형태로 격자를 그린다. 격자의 각 교차점에서 직경 D의 원을 그린다.
4) 직경 D의 각 디스크 내에서 최고점 Hi를 찾는다.
5) 최고점 H를 통과하며 방향 S와 길이 L 방향에 평행한 평면 P를 취한다.
6) 평면 P로부터 직경 D보다 작은 거리에 있는, 단계 3에서 구한 최고점들 Hi를 평면 P에 수직으로 투영하여 투영점들 hi를 구한다.
7) 평면 P에서, 모든 투영점들 hi와 최고점 H를 통과하는 파선이 볼록한지 확인한다.
8) 평면 P를 방향 S를 중심으로 회전시켜서 상기 단계 5와 6을 반복한다.
다른 방법으로서, "비 볼록곡률"의 방향이 존재하는지를 결정하는 단계를 포함하는 방법이 있는데, 여기서는 이 방향에 평행한 평면에 표시되는, 단계 3에서 얻어진 모든 점들이 동일한 높이를 갖는다. 이러한 방향이 존재한다면, S에 평행하고 "비 볼록곡률"의 방향에 수직인 평면 P를 선정하고 P에서의 전체 벽을 거리 D를 쓸면서 평행이동시킨 다음에 단계 5와 6을 수행한다.
도 11의 실시예에서는, 앞서 설명한 리브들 대신에 겔 파우치(99)를 사용한다. 하우징의 하부 벽(101)이 평평하며 리브가 없다. 겔 파우치(99)가 하부 벽(101)의 양각 요소를 구성하여서 하부 벽(101)에 의해 가해지는 압력을 열제어판으로 균일하게 전달하되, 그 표면의 모든 지점에서 전달한다.
반복 설명하자면, 전달되는 압력은, 측지지대(23)를 고정 스크류(49)로 하부 벽(101)에 체결시에 하부 벽(101)에 의해 발생되는 변형에 상관없이, 열제어판(53)의 모든 지점에서 동일하다.
상술한 실시예들은 단지 설명을 위한 것에 불과하며 특허청구범위를 제한하는 것으로 해석될 수 없음은 자명하다.

Claims (23)

  1. 자동차용 배터리팩(1)의 하우징에 있어서,
    상기 하우징(7)은, 열제어판(33)과 연결되는 다수의 전기 셀(21)들의 집합으로 구성되는 적어도 하나의 모듈(19)이 담기도록 설계된 내부 공간과, 이 내부 공간에 모듈(19)이 설치될 때에 상기 열제어판(33)에 닿도록 설계되는 적어도 하나의 벽(53, 53')과, 상기 벽(53, 53')을 모듈(19)에 체결하는 수단(23, 49, 60)을 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 벽(53, 53')은, 열제어판(33)을 향하는 내면에, 하우징의 내부 공간 쪽으로 굴곡된 볼록곡률(convexity)을 갖는 공간에 포함되는 양각 요소(55, 90)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩의 하우징.
  2. 제1항에 있어서,
    하우징(7)의 벽(53, 53')은 열가소성 재료 또는 열경화성 플라스틱 재료 또는 이들 두 재료의 혼합물 또는 성형 알루미늄 또는 주형 알루미늄으로 제작되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩의 하우징.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    체결하는 수단은, 하부 및 덮개가 포함되는, 하우징(7)을 닫기 위한 수단을 포함하되, 이 하부 또는 덮개에는 열제어판(33)에 밀착되도록 하기 위한 벽(53')이 포함되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩의 하우징.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    체결하는 수단은, 모듈(19)을 벽(53, 53')에 직접 부착하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩의 하우징.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    체결하는 수단은, 모듈(19)을 벽(53, 53')에 직접 부착하는 수단으로서 모듈(19)의 양쪽 측에 체결되는 측지지대(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩의 하우징.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    체결하는 수단은 체결 방향(S)을 정의하며, 양각 요소의 볼록곡률은,
    - 양각 요소의 적어도 하나의 최고점 H(81)의 존재,
    - 최고점 H(81)를 통과하며 체결 방향(S)에 평행하게 지나가는 적어도 하나의 투영 평면 P의 존재에 의해 정의되며,
    이 평면에 있어서, 체결 방향(S)에 수직하며 최고점을 통과하는 제2 평면 P'에 위치한 미리 결정된 직경의 디스크(61, 65, 69, 73, 77)를 양각 요소에 투영하여서 얻어지는 임의의 영역에 적어도 하나의 최고점 Hi(63, 67, 71, 75, 79)가 있고, 이 Hi를 투영 평면에 직각 투영하여 나온 투영점 hi의 투영 평면 상에서의 높이(단, 높이는 체결 방향으로의 측정치임)는, 상기 투영점과 최고점 H(81) 사이의 거리에 따라서 감소하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩의 하우징.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    양각 요소(55, 90)는 하우징(7)의 내부를 향해 볼록하게 굴곡된 볼록곡률을 갖는 고형체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩의 하우징.
  8. 제7항에 있어서,
    고형체는, 벽의 내측면으로부터 돌출하고 하우징의 내부를 향하는 반구형 포락선을 이루는 리브(55)들로 이루어진 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩의 하우징.
  9. 제8항에 있어서,
    리브(55)들로 이루어진 네트워크는 벽(53, 53')과 일체로 성형되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩의 하우징.
  10. 제7항에 있어서,
    고형체는 벽에 하우징의 내부를 향하여 볼록 형상을 부여함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩의 하우징.
  11. 제7항에 있어서,
    고형체는 벽에 형성된 1군의 스터드를 포함하되, 각 접촉 영역이 스터드의 상단이 되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩의 하우징.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    양각 요소는, 하우징의 내부를 향해 볼록한 형상의 외측면을 갖는 변형가능한 재료로 된 블럭을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩의 하우징.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    벽(53, 53')은 제1 방향으로의 가장 긴 치수(L)와, 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 따라 두 번째 긴 치수(l)를 갖되, 볼록곡률의 최고 높이, 즉, 양각 요소(55, 90)의 최고점과 최저점 사이의 높이 편차는, 벽(53, 53')의 상기 두 치수들 중 하나의 0.2% 내지 0.5%인 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩의 하우징.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    벽(53, 53')은 제1 방향으로의 가장 긴 치수(L)와, 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 따라 두 번째 긴 치수(l)를 갖되, 볼록곡률의 최고 높이, 즉, 양각 요소(55, 90)의 최고점과 최저점 사이의 높이 편차는, 벽(53, 53')의 상기 두 치수들 중 제일 작은 치수의 0.2% 내지 0.5%인 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩의 하우징.
  15. 자동차용 배터리팩에 있어서,
    상기 배터리팩은, 다수의 전기 셀(21)로 구성되며 열제어판(33)과 연결되는 적어도 하나의 모듈(19)이 담기는 하우징(7)을 포함하며, 이 하우징(7)은 모듈(19)의 열제어판(33)에 닿도록 설계되는 적어도 하나의 벽(53, 53')을 갖고, 이 벽(53, 53')의 열제어판(33)을 향하여 굴곡된 내측면에는 양각 요소(55, 90, 99)가 배치되고, 이 양각 요소(55, 90, 99)의 위치와 크기는 벽(53, 53')에 의해서 가해지는 체결 압력을 열제어판(33)으로 전달하도록 정해지되, 여기서 체결 압력은, 체결에 의해서 벽(53, 53')의 변형이 발생되더라도, 양각 요소(55, 90, 99)와 벽(53, 53')을 서로 접촉한 상태로 유지시키는 압력이며, 이때의 접촉은 최소한, 양각 요소(55, 90, 99)의 점에서 이루어지며, 열제어판(33) 상에 투영에 의해서 그려진 20 내지 80mm 직경의 모든 디스크에 적어도 두 개의 점들이 들어가도록 분포되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리팩.
  16. 제15항에 있어서,
    체결 압력은, 체결에 의해서 벽(53, 53')의 변형이 발생되더라도, 양각 요소(55, 90, 99)와 벽(53, 53')을 서로 접촉한 상태로 유지시키는 압력이며, 이때의 접촉은 최소한, 양각 요소(55, 90, 99)의 점에서 이루어지며, 열제어판(33) 상에 투영에 의해서 그려진 30 내지 60mm 직경의 모든 디스크에 적어도 두 개의 점들이 들어가도록 분포되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리팩.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    각각의 셀(21)은 경질 외피를 포함하며, 주어진 모듈(19)에서의 셀(21)들의 외피는 그 하부가 동일 평면에 있고 횡방향을 따라 서로 압착됨으로써 경질 블럭을 이루는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩.
  18. 제17항에 있어서,
    셀(21)들의 경질 외피는 그 밑변이 직사각형인 프리즘 형상인 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩.
  19. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    동일한 열제어판(33)을 여러 모듈(19)들이 공유하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩.
  20. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    각 모듈이 각자의 열제어판을 갖는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩.
  21. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    양각 요소에는, 열제어판에 벽을 체결하는 힘에 의해 발생하여 이 액체에 가해지는 압력을 균일하게 그리고 동일한 방향으로 전달하는 비압축성 액체 또는 겔이 담긴 파우치(99)가 포함되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 액체 또는 겔은 단열 특성을 갖는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 액체 또는 겔은 전기 절연 특성을 갖는 것을 특징으로 하는, 자동차용 배터리팩.
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