KR102217742B1 - 트랙션 배터리용 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 하우징(11); 하우징(11) 내측에 배열된 배터리 셀(12); 배터리 셀(12)에 인접한 전력 전자 회로 기판(13); 트랙션 배터리의 냉각 판을 위한, 전력 전자 회로 기판(13)으로부터 먼쪽을 향하는 지지 면(14); 및 전력 전자 회로 기판(13) 상에 그 표면이 접하면서 지지 면(14)의 방향으로 또는 지지 면(14)을 따라 배터리 셀들(12) 사이에 연장되는 열전도 요소(15);를 구비한 트랙션 배터리용 배터리 모듈(10)에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 상응하는 배터리 모듈(10) 제조 방법, 상응하는 트랙션 배터리 및 상응하는 전기차에 관한 것이다.

Description

트랙션 배터리용 배터리 모듈{BATTERY MODULE FOR A TRACTION BATTERY}
본 발명은 트랙션 배터리용 배터리 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상응하는 배터리 모듈 제조 방법, 상응하는 트랙션 배터리 및 상응하는 전기차에 관한 것이다.
고비용의 LC 필터 없이, 사용되는 파워 반도체의 펄스 주파수가 낮은 경우에도 적은 고조파 성분만을 갖는 다단계의 "계단형" 전압을 발생시키기 위해서, 멀티레벨 컨버터(multilevel converter)가 전력 전자기기에서 사용된다. 모듈들의 직렬 연결 및 병렬 연결을 선택적으로 허용하는, 모듈형 멀티레벨 변환기의 토폴로지(topology) 및 제어는 문헌 [GOETZ, Stefan M.; PETERCHEV, Angel V.; WEYH, Thomas 공저. Modular multilevel converter with series and parallel module connectivity: Topology and control. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30th year., No. 1, pp. 203-215]에 어느 정도 설명되어 있다.
범용 멀티레벨 컨버터는 예를 들어, 개별 부재들의 전기 연결이 동작 중에 동적으로 변할 수 있게 하는 방식으로, 통상적인 고정 배선(hard-wired) 배터리 팩들을 구조적으로 동일 유형의 배터리 모듈들로 분할할 수 있게 한다. 특히, 전기 차량 또는 네트워크 저장 유닛과 같은 대형 배터리의 경우에, 그러한 모듈을 형성하는 경향이 있다. 임의의 전자기기가 이러한 모듈 내에 대개 상부 면 또는 측면에 장착된다.
그에 따라, 그러한 방식으로 통합된 멀티레벨 컨버터를 구비한 배터리 또는 이와 유사한 복잡도를 갖는 전력 전자기기는 2개의 열원을 갖는다. 즉, 한편으로는, 배터리 셀이, 충전 시뿐만 아니라 방전 시에도, 상당한 내부 저항으로 인해 가열되고; 다른 한편으로는, 전력 전자기기 자체가 전자기기 구성요소를 통해 큰 전류를 전도하고, 이는 부가적인 전도 손실 및 스위칭 손실을 발생시킨다. 전자기기 내의 이러한 부가적인 열원은 종래의 배터리 개념에서는 제공되지 않는다.
그에 따라, 배터리 냉각 시스템은 전기 차량의 전력의 상당 부분을 결정한다. 그러므로, 종래 기술에 따른 전기차의 경우, 주로 배터리를 냉각시키는 고비용의 액체 냉각 시스템이 이용된다. DE102013020961호는, 전자기기와 배터리 사이에 냉각제 회로를 가지는, 전기 부하를 스위치 온/오프하기 위한 전력 전자기기 구성요소 또는 전력 전자기기 어셈블리를 포함하는 배터리 시스템을 기술하고 있다. CN106130408호 역시 냉각을 위해서 배터리에 연결된 차량 전력 전자기기를 개시한다. 차량 배터리 및 전력 전자기기를 위한 일반적인 냉각제 회로가 또한 DE102011012723, DE102014009772, US2012104843, US2012152186, US2016226421 및 US2016318370호에 언급되어 있다.
본 발명은 독립항에 따른 트랙션 배터리용 배터리 모듈, 상응하는 배터리 모듈 제조 방법, 상응하는 트랙션 배터리 및 상응하는 전기차를 제공한다.
본 발명에 따른 해결책은 전력 전자기기가 배터리 셀에 열적으로 커플링될 수 있게 하고, 그러한 배터리 셀을 위해 효과적인 냉각 개념도 공지되어 있다. 그에 따라, 이하에서 설명된 기술적 구현예는 비용, 설치 공간 및 중량과 관련하여 약간의 부가적인 지출만을 발생시킨다.
이와 관련하여, 제안된 해결책은 유리하게 2개의 열원 모두의 열적 성질을 이용한다. 그에 따라, 전력 전자기기에 의해서 부가적으로 발생된 열 에너지는 배터리 셀 및 그 냉각 시스템에 의해서 매우 용이하게 보상될 수 있고, 냉각 시스템의 보강을 전혀 필요로 하지 않거나, 약간의 보강만 필요로 한다.
그에 따라 본 발명은, 전자기기 및 배터리 셀의 상이한 열적 동작 범위들(thermal operating windows)이 큰 온도 구배를 제공하고, 그러한 큰 온도 구배는 -적절한 구조적 조치를 전제로- 전자기기로부터 배터리 셀로의 충분히 강한 열 유동을 보장한다는 사실에 기초한다. 본 발명에 따라, 비교적 집중적으로 발생하는 전자기기의 열은 그에 따라 비교적 큰 면적에 걸쳐 분포되고 큰 면적에 걸쳐 배터리 셀로 방출된다.
본 발명의 또 다른 유리한 구성들은 종속 특허 청구항에 명시되어 있다. 즉, 측방향 회로 기판 어레이(그리고 바람직하게 적어도 아래로부터의 냉각)의 경우에, 전술한 결합에 이용되는 열전도 요소가 그에 상응하게 구성될 수 있다. 이러한 구성 형태는, 상황에 따라, 배터리 셀의 연결점들을 위해 필요한 절취부의 개수를 감소시키는데 기여한다.
물론, 본 발명은 복수의 배터리 셀을 갖는 임의의 배터리 및 전자기기에서 이용될 수 있고, 본 발명에서는 배터리 셀들 외에 전자기기도 열을 방출하며, 가장 적합하게는 전자기기가 더 높은 상한 온도를 갖는다.
본 발명의 실시예들은 도면들에 도시되어 있고, 이하에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 제1 배터리 모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 배터리 모듈의 종단면도이다.
도 3은 제2 배터리 모듈의 상응하는 종단면도이다.
도 4는 판금의 열전도 단편의 사시도이다.
도 5는 제1 열전도 요소의 사시도이다.
도 6은 제2 열전도 요소의 사시도이다.
도 7은 도 1에 따른 배터리 모듈의 분해도이다.
도 8은 제3 열전도 요소의 사시도이다.
도 9는 제3 배터리 모듈의 분해도이다.
도 10은 전력 전자 회로 기판의 사시도이다.
도 11은 펀치-굽힘 다이의 사시도이다.
도 12는 웨지 굽힘 공구(wedge-bending tool)의 사시도이다.
도 13은 제4 배터리 모듈의 제조에 관한 개략도이다.
도 1 및 도 2는, (도면에 그 전체가 도시되지 않은) 트랙션 배터리를 위한, 본 발명에 따른 배터리 모듈(10)의 기본 설계를 도시한다. 먼저 종래 방식으로, 배터리 모듈(10)은, 하우징(11) 내측에 배열된, 트랙션 배터리의 냉각 판을 위한 공통 하부측 지지 면(14) 상에 세워진 복수의 배터리 셀(12)을 포함한다. 빗 형상의 프로파일을 가진 열전도 요소(15)에 의해서만 배터리 셀(12)로부터 분리된 전력 전자 회로 기판(13)이 배터리 셀(12)과 하우징(11)의 커버(19) 사이에 연장된다.
도 2에 따른 구성에서, 상기 열전도 요소(15)의 연장부는, 하우징 바닥으로서의 역할을 하는 지지 면(14)의 방향으로 배터리 셀(12)의 전체 측면을 따라 연장된다. 도 3에 의해서 명확해지는 바와 같이, 한 대안적 실시예에서 그 연장부는 그럼에도, 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서, 상기 면의 일부만 덮을 수도 있다.
도 4 및 도 5는 판금 굽힘부의 특별한 실시예로서의 해결책을 도시한다. 여기서는, 전력 전자 회로 기판(13)이 열적으로 커플링될 수 있는 상부면(16)이 생성되는 방식으로; 그리고 배터리 셀들(12) 사이에 도달하여 큰 면적에 걸쳐서, 이와 동시에 대부분이 배터리 모듈(10)의 하부면에서 연장되는 지지 면(14)의 방향으로 돌출부(17)를 통해, 배터리 셀(12) 내로 열을 운반하는 돌출부(17)가 형성되는 방식으로; 바람직하게 알루미늄 또는 구리와 같이 양호한 열전도도를 가진 재료로 압연된 판금(23)이, 이하에서 추가로 기술될 펀치/굽힘 공정을 통해 성형된다.
도 6 및 도 7을 함께 고려하면, 도 5에서 이미 표시된, 상부면(16) 내의 절취부들(18)의 목적을 알 수 있다. 즉, 도시된 변형예에서 절취부들(18)은, 각각 개별 배터리 셀(12)의 2개의 연결부(20)(특히, 나사 연결 또는 용접 연결이 고려됨) 의 관통에 이용된다. 그러나, 전력 전자 회로 기판(13)의 (도 8 및 도 9에 개략적으로 도시된) 대안적인 측방향 배열에서는, 여기서도 배터리 모듈(10)의 하부면의 냉각이 제공되는 한, 상기 절취부(18)는 배제될 수 있다.
열전도 요소(15)의 전기 절연을 위해, 예를 들어, 바람직하게 열전도성이 좋은 재료로 이루어진 매우 얇은 코팅이 이용되며, 그러한 코팅은 적어도 국소적으로 발생하는 전압에 대해서 전기 절연되어야 한다. 코팅 재료로서 전형적인
Figure 112018094494148-pat00001
내지
Figure 112018094494148-pat00002
의 절연 강도를 가진 폴리-에테르-에테르-케톤, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리이미드, 테프론 및 에폭시드와 같은 매우 다양한 중합체가 이용될 수 있다. 또한, 바람직하게 알루미늄 산화물(Al2O3), 아연 산화물(ZnO), 지르코늄 산화물(ZrO), 티타늄 산화물(TiO2), 또는
Figure 112018094494148-pat00003
초과의 높은 열전도도를 갖는 또 다른 재료를 이용한 충전이 제공됨에 따라, 그 결과로 도출되는 복합 재료는
Figure 112018094494148-pat00004
초과의 열전도도에 도달된다. 또한, 손상 방지를 위해서, -경우에 따라 플라스틱이 함침된- 무기질 코팅, 예를 들어 세라믹 코팅을, 바람직하게 펀치/굽힘 공정 이후에, 판금(23)에 도포하는 점이 고려될 수 있다.
도 10에 전력 전자 회로 기판(13) 및 그 연결부의 예를 명확하게 도시한 바와 같이, 그러한 전자기기의 냉각은 여러 유형으로 수행될 수 있으며, 그 중 일부를 하기에 기술한다. 예를 들어, 트랜지스터와 같은 파워 반도체(21)가 그 표면으로써 열전도 요소(15)와 접촉될 수 있다. 전자기기 구성요소의 열을 전기 콘택을 통해서 구리 재료 내로 끌어올 수 있는 방식으로, 최근의 저전압 전력 트랜지스터와 같은 다양한 전자기기 구성요소를 부가적으로 구성할 수 있다. 이러한 경우에, 열은 전력 전자 회로 기판(13)의 구리로부터 열전도 요소(15)를 통해서 배터리 셀(12) 내로 운반될 수 있다. 이러한 목적을 위해서 코팅된 구리 면(22)이 자신의 구리 지지부에 의해 파워 반도체(21)와 분명히 같은 높이일 수 있거나, 심지어 파워 반도체 위로 돌출될 수 있다.
배터리 모듈(10)마다 하나 이상의 판금 굽힘부로 열전도 요소(15)를 제조하는 과정(30)은, 예를 들어, 도 11에 도시된 구조의 펀치/굽힘 다이(24)를 이용하여 매우 비용 효율적으로 수행될 수 있다. 이어서, 도 12에 도시된 바와 같이, 돌출부(17)의 성형은 예를 들어 이른바 V자형 굽힘 또는 웨지 굽힘(25)을 통해 수행된다. 열전도 요소(15)의 외부 에지들의 임의 돌출부(17)는 에지 굽힘(edge bending)에 의해 성형될 수 있다.
예를 들어, 배터리 셀(12)의 나사 연결부 또는 연결부들(20)을 열전도 요소(15)를 관통하여 전력 전자 회로 기판(13)으로 유도하기 위해, 또는 열전도 요소(15)로부터 비교적 더 높은 높이를 갖는 전력 전자 회로 기판(13) 상의 요소를 배제시키기 위해, 외측 에지들 및 필요한 모든 절취부(18)가 바람직하게 펀칭될 수 있다. 굽힘이 이러한 방식으로 펀칭과 조합되는 경우에, 도 13에 이미 도시된 절취부(18) 및 판금(23)의 외측 에지가 프레스 통과 전에는 아직 형성되지 않는다.

Claims (11)

  1. 트랙션 배터리용 배터리 모듈(10)로서,
    하우징(11),
    상기 하우징(11) 내측에 배열된 배터리 셀(12),
    상기 배터리 셀(12)에 인접한 전력 전자 회로 기판(13),
    상기 트랙션 배터리의 냉각 판으로서의 역할을 하는, 상기 전력 전자 회로 기판(13)으로부터 먼 쪽을 향하는 지지 면(14), 및
    상기 전력 전자 회로 기판(13) 상에 그 표면이 접하는 상부면(16)과, 상기 상부면(16)으로부터 연장하고 상기 지지 면(14)을 향한 방향으로 배터리 셀들(12) 사이에서 연장되는 돌출부들(17)을 갖는 열전도 요소(15)를 구비하고,
    상기 상부면(16)은 상기 전력 전자 회로 기판(13) 및 상기 배터리 셀들(12)과 열적으로 접촉하도록 그리고 상기 전력 전자 회로 기판(13) 및 상기 배터리 셀들(12)사이에 설치되며,
    상기 전력 전자 회로 기판(13)으로부터의 열은 상기 열전도 요소(15)를 통해서 상기 배터리 셀(12) 내로 전달되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부들(17)은 상기 상부면(16) 상에 일체로 형성되고,
    상기 돌출부들(17)은 서로 평면 평행으로 그리고 상기 상부면(16)에 대해 직각으로 연장되는 것을 특징으로 하는, 배터리 모듈(10).
  3. 제2항에 있어서,
    배터리 셀(12)은 연결부들(20)을 가지며,
    상부면(16)은 전력 전자 회로 기판(13) 쪽으로 상기 연결부들(20)을 관통시키기 위한 절취부들(18)을 갖는 것을 특징으로 하는, 배터리 모듈(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    하우징(11)이 커버(19)를 포함하며,
    지지 면(14)이 상기 커버(19)의 맞은 편에 연장되는 것을 특징으로 하는, 배터리 모듈(10).
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력 전자 회로 기판(13)이 파워 반도체(21) 및 코팅된 구리 면(22)을 가지며,
    열전도 요소(15)가 상기 구리 면(22)에 접하는 것을 특징으로 하는, 배터리 모듈(10).
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    열전도 요소(15)가 구리를 포함하는 특징, 또는
    열전도 요소(15)가 알루미늄을 포함하는 특징 중 적어도 하나를 특징으로 하는, 배터리 모듈(10).
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    열전도 요소(15)가 열전도성 전기 절연 코팅을 구비하며,
    상기 코팅이 유기 중합체 또는 세라믹 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 모듈(10).
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    열전도 요소(15)가 배터리 셀(12)의 2개 초과의 측면을 덮는 특징, 또는
    열전도 요소(15)가 2개 초과의 배터리 셀들(12) 사이에 연장되는 특징 중 적어도 하나를 특징으로 하는, 배터리 모듈(10).
  9. 배터리 모듈(10)의 제조 방법(30)에 있어서,
    하나의 판금(23)이 펀치/굽힘 다이(24)에 의해 분할되고,
    상기 분할된 판금(23)이 웨지 굽힘(25)에 의해 성형되어 열전도 요소(15)를 형성하며,
    배터리 셀(12)이 냉각 판으로서의 역할을 하는 지지 면(14)에 이르기까지 하우징(11) 내로 삽입되고,
    열전도 요소(15)가 배터리 셀들(12) 사이로 삽입되며,
    상기 지지 면(14)에 대향하여 전력 전자 회로 기판(13)이 상기 열전도 요소(15) 상에 그 표면이 놓이고, 그리고
    상기 열전도 요소(15)는 상기 전력 전자 회로 기판(13)으로부터의 열을 상기 배터리 셀(12) 내로 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 배터리 모듈(10)의 제조 방법(30).
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈(10)을 구비한 트랙션 배터리.
  11. 제10항에 따른 트랙션 배터리를 구비한 전기차.
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