KR102490479B1 - 유체 냉각식 배터리의 온도를 제어하기 위한 밀봉 세그먼트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 2개의 주 면(11, 12) 및 하나의 관통 개구(3)를 갖는 밀봉 세그먼트(1)에 관한 것으로, 이 경우 하나의 주 면에 의해 투영 평면에 접하는 밀봉 세그먼트의 직교 투영은, 세그먼트 투영면(APS)를 둘러싸는 세그먼트 투영 윤곽 및 개구 투영 (전체) 면(APF)을 둘러싸는 하나 이상의 개구 투영 윤곽을 정의하고, APF 대 APS 비율은 0.001 내지 0.20의 범위 내에 놓이며, 전체 개구 투영 윤곽점들은 세그먼트 투영 윤곽으로부터 이격되고 주연 세그먼트 투영 영역 내에 놓이며, 세그먼트 투영 영역은 세그먼트 투영 윤곽에 의해 외부로 제한되고, 세그먼트 투영 영역이 세그먼트 투영면(APS)의 75%를 차지하도록 선택된, 주연 방향으로 일정한 폭을 가지며, 이 경우 밀봉 세그먼트는 흑연 포일 층(5)을 포함한다.

Description

유체 냉각식 배터리의 온도를 제어하기 위한 밀봉 세그먼트
본 발명은, 유체 냉각식 배터리용 밀봉 세그먼트 및 밀봉 세그먼트/배터리 셀 유닛에 관한 것이다.
배터리 셀 및 열 방출 시스템으로부터 분리된 냉각 회로를 형성하는 복잡한 냉각 파이프 라인 시스템을 구비한 배터리 모듈이 공지되어 있다(US2010279152A호). 이와 같은 배터리 모듈은, 시간이 지남에 따라 누출될 수 있는 복수의 씰(seal)이 필요하고, 다른 한 편으로 열 방출 시스템과 냉각제 사이에 열 저항이 존재한다는 단점이 있다. 복잡하고 구불구불한 미세 분기 파이프 라인 시스템은 제조하기가 복잡하다.
DE 10 2011 100 172 A1호는, 배터리 셀들과 냉각 리브들로 이루어진 스택을 포함하는 배터리 세트를 기술한다. 액체 냉각/액체 가열을 위해, 각각의 리브는 2개의 용접된 금속 시트 사이의 냉각 채널; 그리고 리브로부터 귀 형상 특징부들로 연장되는 냉각제 입구 및 냉각제 출구;를 구비한다. 냉각제는 상기 입구를 통해 유입된다. 입구가 위치한 제1 귀 형상 특징부로부터 냉각제는 냉각 리브 내부의 긴 냉각제 채널 내에서 출구가 위치한 또 다른 귀 형상 특징부로 흐르며, 그곳에서 냉각 리브의 외부로 배출된다. 연속하는 리브의 귀 형상 특징부들 사이에서 높은 밀봉 비용이 발생한다. 리브들 사이의 갭을 채우고 정상적인 냉각제 밀봉을 제공하기 위해, 귀 형태의 연장부를 밀봉 가능한 플라스틱으로 성형하는 구성이 제안된다. 대안적으로 고무 씰이 사용된다.
DE 10 2011 109 306 A1호는, 냉각 유체 채널을 갖는 U자 형상의 요소를 제안한다. U자 형상의 요소에는, 냉각 유체 채널을 통해 흐르는 유체가 캐리어 플레이트의 표면을 따라 흘러서 캐리어 플레이트로부터 열을 제거하는 방식으로, 배터리 셀이 부착된 캐리어 플레이트가 배치된다. 여기서, 냉각 유체 채널들은 각각 U자 형상의 요소와 캐리어 플레이트 사이에 형성된다. 즉, 실질적으로 냉각제 채널의 전체 길이에 걸쳐 밀봉이 필요하다. 밀봉을 달성하기 위해, 접착제를 넓은 면에 걸쳐 도포하거나, U자 형상의 요소를 캐리어 플레이트 상에 직접 주조하는 방법이 제안된다. 따라서, 매우 복잡하게만 밀봉이 가능할 수 있고, 밀봉부의 길이로 인해 상당한 누출 위험이 존재한다.
본 발명의 과제는, 예컨대 승용차(BEV 또는 HEV)와 같은 차량, 항공기 또는 선박의 구동을 야기하고, 자동차 내에 존재하는 공간 조건들에 가급적 유연하게 적응될 수 있으며, 간단한 배터리 구조에서 냉각제 배출 위험을 증가시키지 않으면서 효율적인 냉각 및 높은 에너지 밀도를 달성하는 배터리를 위한 밀봉 세그먼트를 제공하는 것이다.
상기 과제는, 밀봉 세그먼트의 에지에서 서로 이어지는 제1 주 면(main surface)(예컨대 전면으로서 간주될 수 있음) 및 제2 주 면(예컨대 후면으로서 간주될 수 있음), 그리고 제1 주 면으로부터 제2 주 면 쪽으로 밀봉 세그먼트를 관통하는 하나 이상의 관통 개구를 구비하는 밀봉 세그먼트에 의해 해결되며, 이 경우 주 면에 의해 투영 평면에 접하는 밀봉 세그먼트의 직교 투영이, 세그먼트 투영면(APS)을 둘러싸는 세그먼트 투영 윤곽 및 개구 투영 (전체) 면(APF)을 둘러싸는 하나 이상의 개구 투영 윤곽을 정의하고, APF 대 APS 비율은 0.001 내지 0.20의 범위 내에 놓이며, 전체 개구 투영 윤곽점들이 세그먼트 투영 윤곽으로부터 이격되고 주연 세그먼트 투영 영역 내에 놓이며, 세그먼트 투영 영역은 세그먼트 투영 윤곽에 의해 외부로 제한되고, 세그먼트 투영 영역이 세그먼트 투영면(APS)의 75%를 차지하도록 선택된 주연 방향으로 일정한 폭을 가지며, 이 경우 밀봉 세그먼트는 흑연 포일 층을 포함한다.
직교 투영은, 밀봉 세그먼트의 한 점과 이 점의 이미지 사이의 연결선이 투영 평면과 직각을 형성하도록, 밀봉 세그먼트를 투영 평면에 맵핑하는 것을 의미한다. 이는, 밀봉 세그먼트의 각각의 지점 및 이 지점의 이미지로 이어지는 연결선에 적용된다. 따라서, 이것은 평행 투영의 특수 형태이다. 직교 투영의 경우, 주 면에 의해 투영 평면에 접하는 밀봉 세그먼트는, 세그먼트 투영면(APS)이 가급적 크도록 정렬된다. 주 면의 형태에 따라, 주 면은 예컨대 투영 평면에 완전히 접하거나(평평한 주 면의 경우), 주 면의 일부에 의해서만 접하거나, 주 면의 하나 또는 복수의 점에 의해서만 접한다(주 면이 완전히 평평하지 않은 경우).
2개의 주 면은 밀봉 세그먼트 에지에서 그리고 관통 개구의 에지에서 서로 이어진다. 이와 같은 전이부들은 밀봉 세그먼트 에지와 개구 에지에 단부면들을 포함할 수 있는데, 이는 예컨대 도 1b 및 도 1c에서 볼 수 있다. 단부면들은 전형적으로 제1 및 제2 주 면에 대해 대략 직각으로 연장되며, 예컨대 밀봉 세그먼트를 구성하는 평면 재료가 절단, 워터 젯 절단, 레이저 절단 또는 펀칭에 의해 가공됨으로써 형성된다. 또는 에지 영역들이 다른 형상도 가질 수 있으며, 예컨대 주 면으로 넘어가는 굴곡 전이부를 갖는 단부면을 포함할 수 있다.
하나의 주 면에 의해 투영 평면에 접하는 밀봉 세그먼트의 직교 투영이 세그먼트 투영 윤곽을 정의한다. 세그먼트 투영 윤곽은 세그먼트 투영면(APS)을 둘러싼다. 직교 투영은 하나 이상의 개구 투영 윤곽도 정의한다. 하나 이상의 개구 투영 윤곽은 개구 투영 (전체) 면(APF)을 둘러싼다. 단 하나의 관통 개구만 존재하고, 이로써 단 하나의 개구 투영 윤곽만 존재하는 경우, 개구 투영면(APF)이라고 한다. 복수의 관통 개구가 존재하고, 이로써 복수의 개구 투영 윤곽이 존재하는 경우, 개구 투영 전체 면(APF)이라고 한다.
세그먼트 투영면(APS)은 개구 투영 (전체) 면(APF)을 포함하는데, 그 이유는 하나 이상의 개구 투영 윤곽이 완전히 세그먼트 투영 윤곽 내부에서 연장되기 때문이다.
밀봉 세그먼트는 흑연 포일 층을 포함한다. 흑연 포일 층은 밀봉 세그먼트 내에서 연장된다. 평면 내 흑연 포일의 높은 열 전도도로 인해, 밀봉 세그먼트 내에서의 평면형 열분포가 가속화된다. 또한, 흑연 포일의 압축성도 장점을 제공한다. 흑연 포일은 프레임과 밀봉 세그먼트 사이의 영역에서 배터리의 밀봉성을 증대시킨다. 밀봉 세그먼트에 접하는 배터리 셀, 예컨대 파우치 셀의 용적 팽창은 흑연 포일에 의해 적어도 부분적으로 보상된다. 이러한 점에서, 흑연 포일 층이 밀봉 세그먼트 에지까지 연장되는 것이 유리하다. 또한, 흑연 포일 층이 밀봉 세그먼트 내에서 연장되되, 직교 투영에서 세그먼트 투영면의 중심에 가장 가까운 개구 투영 윤곽점보다 세그먼트 투영면의 중심에 더 가까이 놓여 있는 지점까지 연장되는 것이 바람직하다. 그러면 이 지점에서는 배터리 셀의 용적 변화가 흑연 포일에 의해 적어도 부분적으로 보상될 수 있다.
본 발명에 따른 아주 특히 바람직한 밀봉 세그먼트 내에서는, 직교 투영에서 흑연 포일의 투영면이 세그먼트 투영면(APS)의 90% 이상, 특히 95% 이상, 예컨대 98% 이상을 차지한다.
흑연 포일 층은, 중합체를 기반으로 형성된 합성 흑연 포일 층일 수 있다. 또는 바람직하게 흑연 포일 층이 부분 압축 흑연 팽창물을 포함한다.
부분 압축 흑연 팽창물을 포함하는 흑연 포일 층의 제조는 일반적으로 공지되어 있다. 공지된 바와 같이, 흑연 포일 층은 흑연을 특정 산(acid)으로 처리하여 제조될 수 있으며, 이 경우 흑연 층들 사이에 층간 삽입된 산 음이온에 의해 흑연 염이 형성된다. 그런 다음, 흑연 염이 예컨대 800℃의 고온에 노출됨으로써 팽창된다. 예를 들어, 벌레 모양 구조를 갖는 팽창 흑연(expanded graphite)의 제조를 위해서는, 통상적으로 천연 흑연과 같은 흑연이 예를 들어 질산 또는 황산과 같은 삽입물(intercalate)과 혼합되고, 예컨대 600℃ 내지 1200℃의 고온에서 열처리 된다(DE10003927A1호 참조).
그에 이어서, 팽창 시 수득된 흑연 팽창물이 흑연 포일로 압축된다. 흑연 포일을 제조하기 위한 방법은 예컨대 EP 1 120 378 B1호에 기술되어 있다. 또한, DE 10 2012 202 748 A1호도 흑연 포일을 제조하기 위한 방법을 기술하고 있다.
압축은, 매우 강한 흑연 포일이 수득되도록 제어될 수 있다. 흑연 팽창물이 약간만(예를 들어 0.2 내지 0.7g/㎤의 범위 내 밀도까지) 압축되면, 예를 들어 두께가 0.5㎜일 때 비교적 유연한 흑연 포일 층이 얻어진다. 예컨대 1.5 내지 1.9g/㎤의 더 높은 밀도까지 압축되면, 수득된 흑연 포일 층은 동일한 두께에서 실질적으로 유연하지 않고 플레이트 형태이다.
밀봉 세그먼트는 바람직하게 하나 이상의 주 면상에 전기 절연 코팅을 구비한다. 이 코팅은 예컨대 플라스틱으로 형성될 수 있는데, 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 PTFE, 예컨대 팽창된 PTFE(ePTFE)로 형성될 수 있다. 이는, 배터리 셀의 손상 시에도 밀봉 세그먼트의 원치 않는 전기 충전이 회피되는 장점이 있다.
전기 절연 코팅은 2개의 주 면을 실질적으로 완전히, 예컨대 90% 이상까지 덮을 수 있다. 관통 개구의 에지는 전기 절연 코팅에 의해 완전히 덮일 수 있다. 이는, 관통 개구를 통과해서 흐르며 냉각을 위해 사용되는 유체가 개구 영역에서 밀봉 세그먼트 내로 침투할 수 없다는 장점을 갖는다. 이 경우, 밀봉 세그먼트가 더 오래 유지되며, 더 적은 빈도로 교체되어야 한다.
특히 바람직한 일 실시예에서, 밀봉 세그먼트는 WO 2011/101391 A1호에 명시되어 있는 팽창 흑연을 함유하는 편평한 재료로 이루어진다. 이로 인해, 표면 방향으로 우수한 열전도도가 달성되는 동시에 양방향(용적 팽창 방향 및 용적 감소 방향)으로 배터리 셀의 용적 변화에 대한 매칭 가능성이 달성될 수 있다. 또한, 흑연을 함유하는, 밀봉 세그먼트의 편평한 재료는 매우 다양한 배터리 셀 형태에 특히 잘 매칭될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 밀봉 세그먼트는 0.6 내지 1.9g/㎤, 바람직하게는 0.7 내지 1.4g/㎤, 특히 바람직하게는 0.9 내지 1.1g/㎤의 밀도, 예컨대 유리하게는 1.0g/㎤의 밀도를 갖는다. 본 발명의 또 다른 일 실시예에서, 밀봉 세그먼트는 표면 방향으로 120 내지 500W/(m K), 바람직하게는 130 내지 480W/(m K), 특히 바람직하게는 250 내지 450W/(m K)의 열전도도를 갖는다. 열전도도는 옹스트롬법(Ångstroem's Method of Measuring Thermal Conductivity; Amy L. Lytle, Physics Department, The College of Wooster, Theses)을 사용해서 결정된다.
본 발명의 일 실시예에서, 밀봉 세그먼트는 두께 방향으로 전체 면에서 자체 초기 두께를 기준으로 2 내지 6%, 바람직하게는 2.5 내지 5.5% 그리고 특히 바람직하게는 3 내지 5%의 스프링백(springback)을 갖는다. 스프링백은 DIN 28090-2:1995-09의 섹션 9.1, 9.2 및 9.2.1에 따라 결정된다. 이는, 밀봉 세그먼트가 프레임에 접하는 영역에서 냉각 유체의 원치 않는 유출을 효과적으로 방지하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 이 경우, 예컨대 폴리머를 기재로 하는 플라스틱 프레임과 같은 프레임을 위해 높은 열팽창 계수를 갖는 재료가 사용될 수도 있다. 밀봉 세그먼트의 스프링백은 국부적인 온도 변동과 결부되는 프레임의 뒤틀림을 보상하고, 이로써 예컨대 특히 낮은 외부 온도에서의 차량 시동 시에도 높은 수준의 밀봉성을 보장한다.
이는, 밀봉 세그먼트를 프레임 사이에 고정할 때 프레임에 접하는 밀봉 세그먼트 에지들에서 원하는 국부 압축을 가능하게 한다. 이로 인해, 원치 않는 냉각 유체 유출이 더욱 어려워진다. 이 경우, 프레임은 더 높은 제조 공차로 제조될 수 있으며, 비평탄성이 압축 밀봉 세그먼트들에 의해 매우 우수하게 보상된다. 플라스틱 프레임의 사출 성형 시, 더 높은 제조 효율성을 위해 비교적 높은 제조 공차가 원하는 대로 용인된다. 따라서, 본 발명에 따라 사용될 수 있는 밀봉 세그먼트는 특히 효율적인 배터리 제조를 가능하게 하고, 바람직하게는 플라스틱 사출 성형 프레임과 함께 사용된다.
바람직하게, 밀봉 세그먼트는 압축된 흑연 팽창물로 이루어질 수 있다. 대안적인 일 실시예에서, 밀봉 세그먼트는 압축 전에 형성된 혼합물, 즉, 전반적으로 균일하게 혼합된 흑연 팽창물과 플라스틱 입자로 구성된 혼합물로 이루어질 수 있다. 또 다른 대안적인 일 실시예에서는, 밀봉 세그먼트가 압축 후에 제공되는 플라스틱에 의해 밀봉 세그먼트의 표면에서 또는 코어 영역 내부까지 함침될 수 있다. 이와 같은 실시예들에 의해, 바람직하게 매우 형상 안정적이고 취급이 용이한 밀봉 세그먼트가 형성될 수 있다. 바람직하게는, 열가소성 수지, 열경화성 수지 또는 엘라스토머가 플라스틱으로서 사용될 수 있으며, 특히 플루오르폴리머, PE, PVC, PP, PVDF, PEEK, 벤조옥사진 및/또는 에폭시 수지가 플라스틱으로서 사용될 수 있다.
배터리 셀로부터 밀봉 세그먼트로의 특히 우수한 열 전달을 가능하게 하기 위해, 밀봉 세그먼트가 배터리 셀의 외부 윤곽에 매칭될 수 있다. 예를 들어, 밀봉 세그먼트는 배터리의 외표면의 일부분을 형상 결합 방식으로 수용하기 위한 홈을 구비할 수 있으며, 이 경우 홈은, 밀봉 세그먼트의 주 면에 대한 배터리의 가급적 대면적에 걸친 밀착을 가능하게 하기 위해, 특정의 원통형 또는 프리즘형 배터리의 부분 수용에 특화되어 형성될 수 있다.
바람직한 일 밀봉 세그먼트에서는, 하나 또는 2개의 주 면이 실질적으로 평평하다. 이는, 파우치 셀의 실질적으로 평평한 표면이 열교환 면에 접할 수 있음으로써, 효율적인 열 전달이 보장된다는 장점을 갖는다.
배터리 셀, 예컨대 파우치 셀의 작동 시 비로소 발생하는 용적 팽창을 방해하지 않기 위해, 밀봉 세그먼트와 배터리 셀은 에너지 저장 장치의 유휴 및 방전 상태에서 바람직하게, 밀봉 세그먼트가 두께 방향으로 약하게만, 바람직하게는 자체 초기 두께를 기준으로 최대 1%만큼만 압축되도록, 서로 압착될 수 있다.
관통 개구의 수는 제한되어 있지 않다. 관통 개구의 수는 1개, 2개, 3개, 4개, 5개 또는 6개일 수 있고, 바람직하게는 1개, 2개, 3개, 4개 또는 5개일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1개, 2개, 3개 또는 4개, 특히 바람직하게는 1개, 2개 또는 3개, 예를 들어 1개 또는 2개일 수 있다. 본 발명에 따른 아주 특히 바람직한 한 밀봉 세그먼트에서는 관통 개구의 수가 1개이다.
모든 개구 투영 윤곽점은 세그먼트 투영 윤곽으로부터 이격되어 있다.
밀봉 세그먼트가 하나 이상의 관통 개구를 구비할 경우, 관통 개구들은 바람직하게 서로 가깝게 그룹핑되거나 상호 멀리 떨어져서 놓인다.
관통 개구들을 서로 가깝게 그룹핑하면, 관류 시 낮은 유동 속도에서도 냉각 유체의 난류가 촉진된다는 장점이 있다. 이는, 어떤 경우든 그 개구 투영면이 그룹핑된 관통 면들의 합산된 개구 투영면에 상응하는 단일 관통 개구와 비교해서 적용된다.
다른 한 편으로, 복수의 관통 개구(또는 관통 개구 그룹)가 존재하는 경우, 이들 관통 개구는 가급적 상호 멀리 떨어져 있어야 한다. 그 이유는, 궁극적으로 이로 인해 비로소, 냉각 유체가 밀봉 세그먼트들 사이의 더 긴 구간에 걸쳐 이들 밀봉 세그먼트의 표면을 따라 흐르도록, 배터리 셀 스택 내에서 후속하는 밀봉 세그먼트의 관통 개구를 2개의 관통 개구 사이마다 중앙에 배치할 수 있는 가능성이 제공되기 때문이다. 이는 본 발명이 특히, 냉각 유체가 밀봉 세그먼트 표면을 따라 의도한 대로 안내됨으로써, 효과적인 냉각을 가능하게 하기 때문이다.
선행하는 3개의 단락에 명시된 관통 개구의 바람직한 간격은 다음과 같이 규정할 수 있다:
일 개구 투영 윤곽의 어느 개구 투영 윤곽점도 다른 개구 투영 윤곽의 개구 투영 윤곽점에 대해, 세그먼트 투영 윤곽 길이의 5%, 특히 8%, 특히 바람직하게는 10%, 예컨대 15% 미만의 간격보다 더 가까이 놓이지 않는다. 이는 서로 그룹핑된 관통 개구들의 개구 투영 윤곽에 관련해서만 적용되지 않는다. 일 관통 개구의 전체 개구 투영 윤곽점이 하나 이상의 다른 관통 개구의 개구 투영 윤곽의 개구 투영 윤곽점에 대해 세그먼트 투영 윤곽 길이의 4% 미만의 간격을 취하는 경우에, 관통 개구들이 그룹핑된 것으로서 간주된다. 개구 투영 윤곽점이란, 개구 투영 윤곽을 형성하는 지점을 의미하거나, 복수의 관통 개구가 존재하는 경우에는 개구 투영 윤곽들을 형성하는 지점을 의미하는 것으로 이해된다.
모든 개구 투영 윤곽점은 주연 세그먼트 투영 영역 내부에 놓여 있다.
주연 세그먼트 투영 영역은 세그먼트 투영 윤곽에 의해 외부로 제한된다. 주연 세그먼트 투영 영역은 주연 방향으로 일정한 폭을 갖는다. 이 폭은, 주연 세그먼트 투영 영역이 세그먼트 투영면(APS)의 75%, 바람직하게는 65%, 더욱 바람직하게는 55%, 특히 바람직하게는 45%, 아주 특히 바람직하게는 35%, 예컨대 30%를 차지하도록 선택된다. 도 4a 내지 도 4d에 예시적으로 도시된 바와 같이, 각각의 세그먼트 투영 윤곽에 대해 일정한 폭의 주연 세그먼트 투영 영역이 명시될 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 관통 개구(들)는, 직교 투영 및 주연 세그먼트 투영 영역을 이용하여 한정된, 밀봉 세그먼트의 한 외부 영역에 있다. 이로 인해, 외부 영역에 의해 둘러싸인 밀봉 세그먼트의 내부 영역이 배터리 셀(들)과 주 면(들) 간의 면대면 열 접촉을 위해 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 밀봉 세그먼트들로 구성된 배터리는, 자동차 내에 존재하는 공간 조건에 유연하게 적응될 수 있다. 밀봉 세그먼트는, 예컨대 도 7에 도시된 바와 같이, 배터리의 스택 형상 구조를 가능하게 한다. 이 경우, 밀봉 세그먼트의 형상 및 개별 스택의 길이가 실질적으로 자유롭게 선택될 수 있음으로써, 특정 자동차 타입에서 트랙션 배터리를 위한 가용 공동(hollow)이 가급적 완전히 활용될 수 있다.
예를 들어, 승용차 시트들 사이의 융기부, 예컨대 카단 터널은 사전 설정된 형상을 가지며, 임의로 객실 내부로 확장될 수 없다. 그곳에 존재하는 장착 공간을 가급적 완전히 이용하기 위해, 예컨대 사다리 형상의 밀봉 세그먼트들에 기반하는 배터리가 구성될 수 있다. 또한, 실질적으로 직사각형, 삼각형, 타원형 또는 원형의 세그먼트 투영면을 갖는 밀봉 세그먼트도 고려될 수 있다.
다른 위치에서 복수의 배터리가 직접 나란히 또는 위·아래로 적층 배열되어야 하는 경우에는, 배터리들 사이의 공동이 일반적으로 바람직하지 않은데, 그 이유는 이러한 공간은 달리 활용되기가 어렵기 때문이다. 이 경우, 실질적으로 직사각형인 세그먼트 투영면을 갖는 밀봉 세그먼트가 권장되는데, 그 이유는 이와 같은 밀봉 세그먼트들로 구성된 스택은 거의 바람직하지 못한 공동 없이 나란히 배열될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 밀봉 세그먼트에 의해, 단순한 설계로도 효율적인 냉각 및 높은 에너지 밀도가 달성된다. 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트들로 구성될 수 있는 배터리의 다양한 요소들에 의해, 밀봉 세그먼트들은 이하의 단락들에 기술되는 바와 같은 시너지 효과를 야기한다.
밀봉 세그먼트들은 프레임에 직접 연결될 수 있음으로써 밀봉을 구현하는데, 이때 밀봉 세그먼트들은 프레임들 사이에 고정(clamping)될 수 있다(밀봉 기능). 또한, 밀봉 세그먼트들은 배터리 셀들을 셀 스택 내의 원하는 위치에 배치한다(위치 결정 기능). 이들 밀봉 세그먼트는, 관통 개구들을 통과하는 냉각 유체의 정의된 점형 관통을 가능하게 하고, 스택 방향으로 관통 개구들 사이에 연장되는 채널 섹션들을 제한한다(유체 안내 기능). 동시에, 배터리 셀의 과잉 열은 직접 밀봉 세그먼트들로 전달된다. 이 열은 밀봉 세그먼트 내에서 더 바깥쪽에 놓인 영역 내로도 분배되며, 이 영역에서 밀봉 세그먼트의 하나 또는 복수의 주 면이 냉각 유체와 접촉되며, 상기 냉각 유체로 열이 전달된다(열 전도 기능).
밀봉 세그먼트들이 프레임들 사이에 단단히 고정되어 있으면, 배터리는 프레임을 통해 자동차 내에 고정될 수 있는 단일 고정 바디처럼 거동한다(위치 결정 기능). 프레임이 냉각 채널의 벽을 형성함으로써, 냉각 유체가 냉각 채널 내에서 프레임의 표면을 따라 흐를 수 있게 된다(유체 안내 기능).
본 발명에서 배터리 셀들은 전기 에너지를 공급하기 위해 이용될 뿐만 아니라 그와 동시에 냉각 채널을 제한한다. 배터리 셀들은, 유체가 배터리 셀을 따라 안내되게 하는 데 기여한다(유체 안내 기능). 이는 동시에 효율적인 냉각을 야기하는데, 그 이유는 냉각 유체가 셀 표면을 따라 흐르기 때문이다.
밀봉 세그먼트에 의해, 종래 기술에 따라 요구되기도 했던 부품들이 없어도 된다. 배터리의 스택 형상 구조의 전체 길이에 걸쳐 연장되고 개별 배터리 셀을 둘러싸는 냉각 채널은, 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트의 사용 시, 별도의 전용 부품을 요구하지 않으면서, 통상적인 경우처럼 프레임, 밀봉 세그먼트 및 배터리 셀에 의해 정의된다(특히 도 3, 도 4 및 도 5 참조). 이는 특히 단순한 디자인을 보장한다.
이로써, 동시에 배터리 셀의 매우 효율적인 냉각이 달성된다. 과잉 열은, 위에서 기술된 바와 같이 배터리 셀로부터 밀봉 세그먼트를 거쳐 냉각 유체로 전달된다(제1 열 경로). 추가로, 밀봉 세그먼트들 및 이들의 관통 개구들에 의해 정의된 냉각 채널이 배터리 셀을 따라 흐르기 때문에, 과잉 열은 배터리 셀로부터 냉각 유체로 직접 전달된다(제2 열 경로). 열이 배터리 셀들로부터 동시에 복수의 열 경로를 통해 누출되기 때문에, 상대적으로 적은 냉각 유체 용적 흐름으로도 또는 덜 차가운 냉각 유체로도 충분한 냉각이 가능하다. 이러한 점에서, 밀봉 세그먼트는 본 발명에 따라 온도 조절을 위해 이용된다. 따라서, 냉각 비용이 상대적으로덜 요구된다. 또한, 냉각 유체는 일 배터리 셀로부터 다음 배터리 셀로 넘어갈 때 중단 없이 열 흡수를 위해 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트들은, 배터리 셀 둘레로의 연속 유동이 가능하도록 배치될 수 있고, 이로 인해 관통 개구들도 그와 같은 방식으로 위치 결정될 수 있다. 이를 통해, 배터리 셀로부터 열을 흡수하기 위한 냉각 유체가 사용될 수 없는 사용적(dead volume)이 최소로 제한된다. 이로써 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트는 궁극적으로 냉각 유체의 열 흡수 용량의 매우 경제적인 이용을 가능하게 하며, 이는 매우 작은 냉각제 용적의 사용을 가능하게 한다.
따라서, 냉각제를 포함한 전체 배터리와 관련하여 매우 높은 에너지 밀도가 도출된다.
APF 대 APS의 비율은 0.001 내지 0.20, 바람직하게는 0.003 내지 0.175, 더욱 바람직하게는 0.004 내지 0.15, 특히 바람직하게는 0.004 내지 0.125의 범위 내에 놓인다. 이들 면적의 비율이 훨씬 더 작은 경우에는, 소수의 밀봉 세그먼트만을 갖는 짧은 스택에서도 냉각 유체의 유동 저항이 지나치게 커진다. 예컨대 펌프와 같은 유체 이송 장치는, 스택을 통해 충분한 양의 냉각 유체를 이송하기 위해 지나치게 많은 에너지를 소비할 것이다. 상기 면적의 비율이 훨씬 더 큰 경우에는 배터리 셀로부터의 열 방출이 지나치게 악화되는데, 그 이유는 이 경우 열 교환(흑연 포일 층 내에서의 열 전도)을 위해 가용한 면적의 지나치게 큰 비율이 관통 개구(들)에 의해 사용되기 때문이다.
밀봉 세그먼트의 형상은 제한되어 있지 않다. 원칙적으로는 모든 형상이 고려될 수 있다. 자동차의 특정 공동에 딱 맞는 트랙션 배터리를 형성하기 위해서는 특수한 형상이 필요할 수 있다. 하지만, 일반적으로는 밀봉 세그먼트 에지들이 짧은 형상이 선호되는데, 그 이유는 그러한 형상이 단부면들을 통한 냉각 유체 흡수로 인해 냉각 유체 배출 및 밀봉 세그먼트 팽창의 가능성을 더욱 감소시키기 때문이다. 예를 들어, 세그먼트 투영 윤곽의 길이는 세그먼트 투영면(APS)에 상응하는 면적을 갖는 사각형의 둘레를 최대 65%만큼, 바람직하게는 최대 30%만큼, 특히 바람직하게는 최대 10%만큼 초과한다.
바람직한 방식으로, 세그먼트 투영 윤곽은 오목한 섹션을 포함하지 않는다. 오목한 섹션은, 하나의 직선이 2개 이상의 지점에서 세그먼트 투영 윤곽과 교차하고 이 직선과 세그먼트 투영 윤곽 사이에 포함된 세그먼트 투영면의 부분 면적이 APS의 3% 이상이 되도록, 상기 직선이 세그먼트 투영 윤곽 내에 배치될 수 있는 경우에 존재한다.
관통 개구가 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트의 주변 영역에 놓여 있는 경우는 덜 선호된다. 규칙적인 바닥면으로부터 돌출하는 주변 러그 내에 관통 개구가 존재하는, 덜 선호되는 밀봉 세그먼트의 직교 투영들이 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다. 본 발명에 따른 바람직한 밀봉 세그먼트들은, 관통 개구의 선호 위치를 정의하기 위해 이용되는 다각형을 이용하여 상기 밀봉 세그먼트와 구분된다. 본 발명에 따르면, 등변 및 등각 다각형, 예컨대 그 면적이 APS의 8분의 1, 일반적으로는 6분의 1, 바람직하게는 5분의 1, 더욱 바람직하게는 4분의 1 그리고 특히 바람직하게는 3분의 1인 정사각형이 세그먼트 투영 윤곽 내부에서 정렬되되, 개구 투영 윤곽이 완전히 상기 다각형 내부에 놓이도록 정렬될 수 있는 방식으로, 개구 투영 윤곽이 세그먼트 투영 윤곽 내에 놓여 있는 경우가 바람직하다.
본 발명에 따라 밀봉 세그먼트 내에서 덜 선호되는 관통 개구의 위치가, 다각형 또는 정사각형을 이용하여 명시될 수 있을 뿐만 아니라, 다각형 대신 또는 다각형의 보완으로 하나 또는 복수의 지점에서 개구 투영 윤곽과 교차하는 직선 군(群)을 이용해서도 명시될 수 있다. 바람직하게는, 하나 또는 복수의 지점에서 개구 투영 윤곽과 교차하는 직선이 2개 이상의 지점에서 제1 세그먼트 투영 윤곽과 교차하지 않도록, 개구 투영 윤곽이 세그먼트 투영 윤곽 내에 놓인다.
관통 개구가 밀봉 세그먼트의 주변 영역에 위치하지 않는 경우, 냉각 유체가 관통 개구를 거쳐 밀봉 세그먼트를 통과해서 흐르도록 하기 위해 주변 영역으로 안내될 필요가 없기 때문에, 유동 저항이 감소한다.
본 발명에 따르면, 개구 투영 윤곽으로부터 세그먼트 투영 윤곽까지의 거리는 어디에서도 밀봉 세그먼트 두께의 50%, 바람직하게는 75%, 특히 바람직하게는 100%에 미달하지 않는다. 이는, 관통 개구와 세그먼트 에지 사이에 연장되는 밀봉 세그먼트의 영역이 전반적으로 충분히 넓고, 압착 시 다른 방식의 이탈 운동을 수행하거나 꼬이는 일이 없이 프레임 사이에 클램핑될 수 있다는 장점이 있다. 이렇게 함으로써 원치 않는 냉각제 배출의 위험이 줄어든다. 개구 투영 윤곽으로부터 세그먼트 투영 윤곽까지의 거리는 직교 투영에서 측정된다. 밀봉 세그먼트 두께는 DIN EN ISO 5084(1996년 10월)에 따라 결정된다. 밀봉 세그먼트 두께는 직교 투영 방향으로 측정된다. 원형의 테스트 면을 갖는 압력 스탬프가 사용되며, 이 압력 스탬프의 직경은 개구 투영 윤곽으로부터 세그먼트 투영 윤곽까지의 최단 거리에 상응하고, 이 경우 세그먼트 투영 윤곽은, 두께 측정 시마다 개구 투영 윤곽으로부터 세그먼트 투영 윤곽까지의 개별 거리를 측정할 때 따르는 선이 테스트 면을 2개의 동일한 크기의 절반부들로 분할하도록 배치된다. 밀봉 세그먼트 두께는 0.1kPa의 압력에서 결정되며, 이 압력 표시는 압력 스탬프의 원형 테스트 면과 관련된다.
바람직하게, 밀봉 세그먼트 에지의 하나 이상의 제1 및 제3 섹션은 서로 평행하게 연장된다. 이 경우, 밀봉 세그먼트가 2개의 평행하게 연장되는 프레임 사이에서 매우 용이하게 안내될 수 있다는 장점이 도출되며, 이로 인해 밀봉 세그먼트 및 필요에 따라 그에 부착되는 배터리 셀과 같은 배터리의 개별 구성 부품들의 교체가 특히 매우 간단하게 가능하다.
또한, 밀봉 세그먼트 에지의 제1 섹션과 제3 섹션을 연결하는 밀봉 세그먼트 에지의 하나 이상의 영역이, 밀봉 세그먼트 에지의 제1 섹션 및 제3 섹션에 대해 직각으로 연장되는 밀봉 세그먼트 에지의 제2 섹션을 포함하는 것이 바람직하다.
밀봉 세그먼트 에지의 제1 섹션과 제3 섹션을 연결하는 밀봉 세그먼트 에지의 또 다른 영역은, 밀봉 세그먼트 에지의 제2 섹션에 대해 평행하게 연장되는 밀봉 세그먼트 에지의 제4 섹션을 포함한다.
바람직하게, 밀봉 세그먼트 에지는 4개 이상의 직선 섹션을 구비하며, 이들 섹션과 일치하는 4개의 직선이 하나의 사각형을 정의한다.
바람직하게 세그먼트 면은 상기 사각형 위로 돌출하지 않는다. 예를 들어, 밀봉 세그먼트 에지의 제1, 제2, 제3 및 제4 섹션과 일치하는 직선이 하나의 직사각형을 정의하고, 세그먼트 면은 이 직사각형 위로 돌출하지 않는다. 이로써, 세그먼트 면에 비해 세그먼트 에지가 짧은 점이 보장되고, 이로 인해, 주어진 냉각 용량에서 냉각 유체의 원치 않는 배출 위험이 비교적 낮아지고, 덜 위험한 자동차 작동이 보장된다.
밀봉 세그먼트는 다음 조건을 충족할 수 있다.
d1 = x·d3, 그리고
d2 = y·d4.
상기 조건에서, d1은 개구 에지로부터 밀봉 세그먼트 에지의 제1 섹션까지의 거리를 나타내고, d2는 개구 에지로부터 밀봉 세그먼트 에지의 제2 섹션까지의 거리를 나타내며, d3는 개구 에지로부터 밀봉 세그먼트 에지의 제3 섹션까지의 거리를 나타내고, d4는 개구 에지로부터 밀봉 세그먼트 에지의 제4 섹션까지의 거리를 나타내며, x는 0.25 내지 4의 범위 내 숫자를 나타내고, y는 3 내지 50의 범위 내 숫자를 나타낸다. 이는, 관통 개구가 제2 섹션에 가까이 놓이고 제4 섹션으로부터는 멀리 떨어져서 놓이는 점을 보장한다.
바람직하게, 제1 섹션으로부터 제3 섹션까지의 거리가 제2 섹션으로부터 제4 섹션까지의 거리보다 크다.
본 발명은, 배터리 셀을 포함하는 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛과도 관련이 있으며, 이 경우 상기 배터리 셀은 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트의 주 면과 열 접촉한다. 열 접촉은, 배터리 셀이 밀봉 세그먼트의 주 면들 중 하나와 물리적으로 접촉하거나, 상기 주 면에 배치된 전기 절연 코팅과 물리적으로 접촉하도록 형성될 수 있으며, 이 경우 배터리 셀은 관통 개구와 중첩되지 않는다. 직교 투영에서 배터리 셀의 투영 윤곽 내에 개구 투영 윤곽점이 놓이지 않으면, 배터리 셀은 관통 개구와 중첩되지 않는다.
배터리 셀은 바람직하게 프리즘형 셀, 파우치 셀 및 원통형 셀 중에서 선택된다. 특히 바람직한 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛은 밀봉 세그먼트 파우치 셀 유닛이다. 즉, 특히 바람직한 배터리 셀은 파우치 셀이다.
배터리 셀, 예컨대 파우치 셀은 전지 화학(cell chemistry)의 측면에서 제한되지 않는다. 바람직하게, 리튬의 Li+ 양이온으로의 가역적 산화가 전류 공급에 관여한다.
바람직하게, 파우치 셀은 실질적으로 평평하고 서로 평행하게 연장되는 전면 및 후면을 갖는다. 전면과 후면은, 파우치 셀을 외부에 대해 폐쇄하는 부품의 전체 표면의 적어도 50%, 예컨대 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 70%를 차지한다.
바람직하게 프레임은, 배터리 셀, 밀봉 세그먼트 및 프레임에 의해 제한되는, 그리고 유체가 관통 개구를 통과해서 그 내부로 유입될 수 있는 채널이 형성되도록, 배터리 셀과 열 접촉하는 주 면에 (또는 전기 절연 코팅에) 인접한다.
바람직하게 채널은 환형이며, 다시 말해 배터리의 투영 윤곽이 직교 투영에서 프레임의 투영 윤곽에 대해 정의된 거리를 유지한다. 바람직하게, 배터리의 투영 윤곽의 각각의 지점은 프레임의 투영 윤곽에 대해 세그먼트 투영 윤곽의 길이의 최대 20%, 예컨대 세그먼트 투영 윤곽의 길이의 최대 10%에 달하는 거리를 유지한다. 또한, 바람직하게 배터리의 투영 윤곽의 각각의 지점은 프레임의 투영 윤곽에 대해 세그먼트 투영 윤곽의 길이의 적어도 0,1%, 예컨대 세그먼트 투영 윤곽의 길이의 적어도 0.5%이다. 이는, 냉각 유체가 냉각 채널의 특히 좁은 영역도 방해받지 않고 관류할 수 있는 동시에, 냉각 유체 흐름이 특히 넓은 채널 영역에서 중지되지 않는 점을 보장한다. 이는 열 수송을 증가시키고, 이를 통해 궁극적으로는 배터리의 에너지 밀도 및/또는 배터리 셀의 수명을 증대시킨다.
특히 바람직한 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛은 본 발명에 따른 제2 밀봉 세그먼트를 포함하며, 이 경우 제2 밀봉 세그먼트의 주 면은, 일 밀봉 세그먼트의 관통 개구를 통과해서 채널 내로 유입될 수 있는 유체가 제2 밀봉 세그먼트의 관통 개구를 통과해서 채널 밖으로 배출될 수 있도록 프레임에 접한다.
제1 및 제2 밀봉 세그먼트는 일반적으로, 파우치 셀이 밀봉 세그먼트들 사이에서 미끄러져 빠지지 않도록 파우치 셀에 단단히 접해 있다.
바람직하게, 직교 투영에서는, 제2 밀봉 세그먼트의 세그먼트 투영 윤곽이 제1 밀봉 세그먼트의 세그먼트 투영 윤곽과 일치한다. 이는, 제2 밀봉 세그먼트의 세그먼트 투영면의 적어도 95%, 바람직하게는 적어도 98%가 세그먼트 투영면(APS)에 속하고, 세그먼트 투영면(APS)의 적어도 95%, 바람직하게는 적어도 98%가 제2 밀봉 세그먼트의 세그먼트 투영면에 속한다는 것을 의미한다.
직교 투영에서, 제1 밀봉 세그먼트의 각각의 개구 투영면은 제2 밀봉 세그먼트의 각각의 개구 투영면에 대해 일반적으로 임의의 거리를 유지한다. 이 거리는 바람직하게 제1 밀봉 세그먼트의 세그먼트 투영 윤곽의 길이의 적어도 50분의 1, 특히 바람직하게는 적어도 20분의 1, 예컨대 적어도 1/10이다.
바람직하게, 제1 밀봉 세그먼트의 관통 개구와 제2 밀봉 세그먼트의 관통 개구는 채널의 동일한 길이의 2개 섹션을 통해 연결되어 있다. 채널 섹션의 길이는 직교 투영에서 결정되며, 이를 위해 개구 투영면들의 양측 면 중심을 통과하는 보조 직선이 배치된다. 이때, 채널의 일 섹션의 투영은 보조 직선의 일 측에서 진행되고, 채널의 다른 섹션의 투영은 보조 직선의 타측에서 진행된다. 채널의 일 섹션의 길이는, 일 밀봉 세그먼트의 개구 투영 윤곽으로부터 배터리 셀의 투영 윤곽과 교차하지 않는 다른 밀봉 세그먼트의 개구 투영 윤곽까지의 최단 연결이다. 상대적으로 더 긴 섹션이 상대적으로 더 짧은 섹션보다 최대 50%, 바람직하게는 최대 15% 더 긴 경우, 2개의 동일한 길이의 섹션이 제공된다. 이는, 밀봉 세그먼트의 외부 영역의 전체 부분에서 거의 같은 양의 열이 냉각 유체로 전달되고, 이로써 셀의 모든 부분으로부터 균일한 열 방출이 이루어지도록 촉진한다. 이때, 배터리 셀을 손상시키는 소위 핫 스팟은 덜 두드러진다. 궁극적으로, 이는 배터리 셀들의 수명 및 배터리 셀들로 구성된 트랙션 배터리의 수명을 연장한다.
밀봉 세그먼트는, 배터리 셀들에 대한 밀봉 세그먼트의 안전한 열전도성 연결을 위해, 밀봉 세그먼트에 밀착할 수 있는 배터리 셀의 용적이 팽창할 때 밀봉 세그먼트가 휘어지고, 배터리 셀의 용적이 감소할 때에는 밀봉 세그먼트가 팽창하도록 형성될 수 있다. 배터리 셀의 작동 시에 비로소 발생하는 용적 팽창을 방해하지 않기 위해, 밀봉 세그먼트와 배터리 셀은 에너지 저장 장치의 비작동 상태에서 바람직하게 서로 압착될 수 있으며, 이로써 밀봉 세그먼트(들)의 밀봉 세그먼트는 초기 두께를 기준으로 두께 방향으로 약하게만, 바람직하게는 최대 1%만큼만 압축된다.
본 발명에 따른 밀봉 세그먼트는 완전히 상이한 배터리 내에서의 온도 조절에 적합하다. 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트는, 예컨대 BEV 또는 HEV 내의 트랙션 배터리와 같은 고성능 배터리에서의 온도 조절 특히 우수하게 적합하다. BEV는, 전기 모터에 의해 구동되고, 전진 이동에 필요한 전기 에너지를 트랙션 배터리로부터 끌어 오는, 사람 및/또는 물건을 이송하기 위한 자동차를 지칭한다. HEV는, 전기 모터 및 또 다른 에너지 변환기에 의해 구동되고, 전진 이동에 필요한 전기 에너지를 일부 트랙션 배터리로부터 끌어 오는, 사람 및/또는 물건을 이송하기 위한 자동차를 지칭한다.
추가 현수 요소(suspension element)가 필요치 않도록, 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트들 사이에 배터리 셀을 클램핑하는 동시에, 전류 전도 요소를 이용하여 배터리 셀을 정렬하는 것이 가능하다. 이것이 장점인 이유는, 배터리가 특히 간단한 방식으로, 다시 말해 소수의 간단한 부품들로써 조립될 수 있기 때문이다.
대안적으로, 제1 및/또는 제2 주 면에, 또는 상기 주 면(들)에 부착된 전기 절연 코팅에 현수 요소가 배치될 수 있으며, 이 경우 상기 현수 요소는 예를 들어 주 면으로부터 돌출한다. 현수 요소는 예컨대 폼 재료, 흑연 및/또는 고체 금속(예컨대 강 또는 알루미늄)을 포함할 수 있다. 이 현수 요소에 의해, 주 면 또는 전기 절연 코팅에 배치된 배터리 셀이 미끄러져 빠지는 일이 더 어려워진다.
현수 요소는, 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트들 사이에서 배터리 셀이 현수되어 있는 브래킷일 수 있다. 브래킷은 예컨대 전류 전도 요소들과 함께 프레임 외부에 놓여 있는 영역 내로 연장될 수 있다. 브래킷은 2개의 밀봉 세그먼트 사이에 배치된 배터리 셀, 예컨대 파우치 셀의 둘레에 연장될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛의 스택을 포함하는 트랙션 배터리도 본 발명의 대상이다.
본 발명은, 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트, 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛, 또는 본 발명에 따른 트랙션 배터리로부터 열을 방출하기 위한, 전기 비전도성 액체의 사용과도 관련이 있다.
전기 비전도성이란 액체가 전류를 전도하지 않음을 의미한다. 각각 25℃에서 측정된 전도도는 최대 10-8 S·㎝-1이고, 전기 비저항(比抵抗)은 108 Ω·㎝이다. 전기 비저항은 DIN EN 60247:2004에 따라 측정된다.
전기 비전도성 액체를 냉각 유체로서 사용하면, 경우에 따른 배터리 셀의 손상 및 열 폭주(thermal runaway)의 발생 시 단락이 초래되지 않는 장점이 있는다.
전기 비전도성 액체는 바람직하게 플루오르화 유기 화합물, 예컨대 완전 플루오르화 케톤 또는 부분 플루오르화 에테르와 같은, 예컨대 완전 플루오르화 유기 화합물 또는 부분 플루오르화 유기 화합물을 함유한다. 1바아의 압력에서 측정된 화합물의 비등점은 예를 들어 45 내지 150℃의 범위 내에, 바람직하게는 55℃ 내지 100℃의 범위 내에 놓일 수 있다. 완전 플루오르화 케톤의 경우, 케토 탄소에 7중 플루오르화 이소프로필 그룹 및 5중 불소화 에틸 그룹이 결합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 세부 사항 및 장점들은, 도면을 토대로 한 하기의 실시예들의 설명을 참조한다.
도 1a는 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트를 도시한 도면이다.
도 1b 및 도 1c는, 도 1a에 도시된 밀봉 세그먼트의 모서리 영역에 대한 두 가지 상이한 사시도이다(모서리 영역은 도 1a의 우측 상단에 직사각형으로 표시되어 있음).
도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트의 직교 투영도들이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 3b의 직교 투영의 예에서 주연 세그먼트 에지 영역의 정의를 도시한 도면들이다.
도 5는 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛들로 구성된 트랙션 배터리의 부분도이다.
도 1a는, 유체 냉각식 배터리의 온도 제어를 위한 밀봉 세그먼트(1)를 보여준다. 밀봉 세그먼트(1)는 제1 주 면(11) 및 제2 주 면(12)을 구비한다. 또한, 밀봉 세그먼트(1)는 제1 주 면(11)으로부터 제2 주 면(12) 쪽으로 밀봉 세그먼트를 관통하는 관통 개구(3)를 구비한다. 제2 주 면(12)은 도 1a에서는 볼 수 없는데, 그 이유는 도 1c에 도시된 사시도에서 알 수 있듯이 제2 주 면이 관찰자로부터 먼 쪽을 향하고 있고, 제1 주 면(11)에 대해 실질적으로 평행하게 연장되기 때문이다. 도 1c에 도시된 사시도에서, 2개의 주 면은 모두 관찰자를 바라보고 있다.
2개의 주 면(11, 12)은 밀봉 세그먼트 에지(2)에서 그리고 개구 에지(4)에서 서로 이어진다. 도 1b는 예를 들어, 주 면들(11, 12)이 밀봉 세그먼트 에지에서 어떻게 서로 이어질 수 있는지를 보여준다. 여기서, 에지(2)는, 주 면(11 및 12)에 대해 실질적으로 직각으로 연장되는 면을 형성한다. 그러나 에지 영역에서 주 면(11, 12)의 다른 모든 유형의 전이, 예를 들어 곡면 에지를 통한 전이도 고려할 수 있다. 개구 에지(4)는 관통면을 둘러싼다.
도 1a에 도시된 밀봉 세그먼트는, 1.5g/㎤의 밀도로 부분 압축된, 실질적으로 압축 흑연 팽창물로 형성된 흑연 포일(5)로 이루어진다. 즉, 밀봉 세그먼트는 흑연 포일 층을 포함한다.
밀봉 세그먼트 내에서 관통 개구(4)의 위치는 직교 투영을 통해 정의된다. 이는, 도시되지 않은 4개의 다양한 밀봉 세그먼트에 대한 예로서의 도 2, 도 3a, 도 3b, 도 3c에 도시된 직교 투영들(1P)에 의해 보여지며, 이때 2개의 주 면(11 및 12)은 각각 평평하고, 서로에 대해 그리고 도면에 도시되지 않은 투영 평면에 대해 실질적으로 평행하게 연장된다. 도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 3c에는 개별 세그먼트 투영 윤곽(2P)이 도시되어 있으며, 이 세그먼트 투영 윤곽도 마찬가지로 도면에 도시된 개별 세그먼트 투영면(APS)을 둘러싼다. 또한, 개구 투영 윤곽(4P) 및 이 윤곽에 의해 각각 둘러싸인 개구 투영면(APF)이 각각 도시되어 있다. 이들 예에서는 APS 대 APF의 비율이 0.004 미만이 아니고 0.10을 초과하지 않는다는 점, 그리고 모든 예에서 개구 투영 윤곽(4P)의 모든 지점(즉, 모든 개구 투영 윤곽점)이 세그먼트 투영 윤곽(2P)으로부터 이격되어 있다는 점을 알 수 있다.
또한, 도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 3c에 도시된 투영들에서, 모든 개구 투영 윤곽점이 주연 세그먼트 투영 영역(0P) 내에 놓여 있으며, 이 주연 세그먼트 투영 영역은 주연 방향으로 일정한 폭(b)을 갖고, 세그먼트 투영 윤곽(2P)에 의해 외부로 제한되어 있다. 도 2에서, 주연 방향으로 일정한 폭(b)을 갖는 세그먼트 투영 영역(0P)은 교차된 빗금으로 표시되어 있다. 폭(b)은, 세그먼트 투영 영역(OP)이 세그먼트 투영면(APS)의 75%를 차지하도록 선택되었다.
모든 개구 투영 윤곽점이 상기 주연 세그먼트 투영 영역(OP) 내에 있는지의 여부는 다음과 같이 결정된다(이하의 단계들은 도 3b에 도시된 직교 투영에 대한 도 4a 내지 도 4d에 도시되어 있음):
- 먼저, 개구 투영 윤곽의 다른 모든 지점보다 세그먼트 투영 윤곽으로부터 더 멀리 또는 동일한 거리에 떨어져 있는 개구 투영 윤곽의 지점(X)이 결정된다(도 4a의 X 참조). 필요에 따라, 밀봉 세그먼트가 복수의 관통 개구를 구비한 경우에는, 복수의 개구 투영 윤곽의 모든 지점이 고려되어야 한다.
- 그 다음에, 세그먼트 투영 윤곽으로부터 상기 지점(X)의 거리가 측정된다(도 4b의 이중 화살표 참조).
- 세그먼트 투영 윤곽에 대해 상기 거리를 유지하는 라인이 세그먼트 투영 윤곽 내부에 그려진다. 이러한 라인은 예컨대 컴퍼스를 이용하여, 그 중심이 세그먼트 투영 윤곽 상에 놓이고 그 반경이 도 4b에 도시된 거리에 상응하는 복수의 원으로 도시될 수 있다(도 4c, 도 4d 참조). 좌측으로 향하는 화살표는 라인의 좌측피크를 지시하며, 이 피크는 도 4d에서 명확하게 볼 수 있다.
- 이어서, 상기 라인과 세그먼트 투영 윤곽 사이에 포함된 면 대 세그먼트 투영면의 비율이 결정된다. 상기 두 면의 비율이 최대 0.75이면, 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트가 존재하게 된다. 도 4d로부터, 거기에 도시된 경우에는 상기 비율이 0.75 미만이라는 것을 쉽게 알 수 있다.
도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 3c에 도시된 직교 투영들에서는, 세그먼트 투영 윤곽(2P)의 길이가 세그먼트 투영면(APS)에 상응하는 면적을 가진 정사각형의 주연을 단지 약간 초과한다. 세그먼트 투영면(APS)은 도 2에서 직사각형 형상을 가지며, 이 경우 이 직사각형의 길이 대 폭의 비율은 2:3이다. 길이 대 폭의 비율이 2:3인 직사각형의 경우, 에지는 동일한 면적을 가진 정사각형의 경우보다 단지 약 2% 더 길다. 도 3b에서, 세그먼트 투영면(APS)은 서로 접하는 상이한 크기의 2개의 직사각형 형상을 가지며, 길이 대 폭의 비율은 각각 5:6이고, 이 경우 하나의 직사각형의 면적이 다른 직사각형의 면적의 15배에 해당한다. 이 경우, 세그먼트 투영 윤곽(2P)은 동일한 면적을 갖는 정사각형에서보다 약 28% 더 길다.
도 2에서, 세그먼트 투영 윤곽(2P) 내에서 개구 투영 윤곽(4P)은, 이 개구 투영 윤곽(4P)이 완전히 정사각형(P2) 내부에 놓이도록, APS의 6분의 1에 해당하는 면적을 갖는 정사각형(P2)이 세그먼트 투영 윤곽(2P) 내부에서 정렬되는 방식으로 놓여 있다. APS의 5분의 1에 해당하는 면적을 갖는 정사각형(P3) 및 APS의 8분의 1에 해당하는 면적을 갖는 정사각형(P1)도 그와 똑같이 정렬된다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 직교 투영들은, 이들 도면에 도시된 정사각형들에서 알 수 있듯이, 상기 조건을 충족하지 않는다.
제1 주 면(11) 및/또는 제2 주 면(12)에는 현수 요소가 배치될 수 있다. 각각의 도면에 도시된 예들에는 현수 요소가 도시되어 있지 않다. 현수 요소는 주 면으로부터 돌출할 수 있다. 현수 요소는 주 면에 배터리 셀을 현수하는 데 이용된다. 예를 들면, 주 면(11 또는 12)으로부터 돌출하는 모든 유형의 재료가 현수 요소로서 이용될 수 있는데, 이 현수 요소에 의해 주 면에 배치된 배터리 셀이 미끄러져 빠지는 일이 어려워진다. 현수 요소는 예컨대 폼 재료, 흑연 및/또는 예컨대 강 또는 알루미늄과 같은 금속을 포함할 수 있다. 이 현수 요소에 의해, 주 면에 배치된 배터리 셀이 미끄러져 빠지는 일이 어려워진다.
도 1a에 도시된 밀봉 세그먼트(1) 내에서는, 밀봉 세그먼트 에지(2)의 제1 섹션(21)과 제3 섹션(23)이 서로 평행하게 연장된다.
밀봉 세그먼트 에지(2)의 제1 섹션(21)과 제3 섹션(23)을 연결하는 밀봉 세그먼트 에지(2)의 영역은, 제1 섹션(21) 및 제3 섹션(23)에 대해 직각으로 연장되는, 밀봉 세그먼트 에지(2)의 제2 섹션(22)을 포함한다. 밀봉 세그먼트 에지(2)의 제1 섹션(21)과 제3 섹션(23)을 연결하는 밀봉 세그먼트 에지(2)의 또 다른 영역은, 밀봉 세그먼트 에지(2)의 제2 섹션(22)에 대해 평행하게 연장되는, 밀봉 세그먼트 에지(2)의 제4 섹션(24)을 포함한다. 밀봉 세그먼트 에지(2)의 제1, 제2, 제3 및 제4 섹션과 일치하는 4개의 직선은 하나의 직사각형을 정의한다. 도 1a에서 직선 섹션들(21, 22, 23, 24)이 서로 이어지며, 따라서 밀봉 세그먼트 에지(2)가 상기 직사각형과 일치하게 된다.
도 5는, 파우치 셀(40)을 포함하는 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛(31)을 보여준다. 파우치 셀은 주 면(11)과 물리적으로 접촉한다. 본 도면에 도시된 예에서, 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛(31)은, 파우치 셀(40), 밀봉 세그먼트(1) 및 프레임(50)에 의해서 제한된, 유체가 관통 개구(3)를 통해 그 내부로 유입될 수 있는 채널(K)이 형성되도록, 파우치 셀(40)과 접촉하는 주 면(11)에 접하는 프레임(50)을 구비한다. 파우치 셀은, 관찰자를 향하고 있는 면(41) 및 전기 절연된 전류 전도 요소(43)를 구비한다. 면(41)에 대해 실질적으로 평행하게 연장되는, 본 도면에서는 볼 수 없는 면에 의해, 파우치 셀(40)이 밀봉 세그먼트(1)의 주 면(11)에 접한다. 관통 개구(3)는 여기에 도시된 도면에서 좌측에 위치한다. 프레임(50)은 3개의 주연 표면(51, 53, 54)을 갖는 하나의 직사각형 프로파일을 갖는다. 3개의 주연 표면 중 하나는 밀봉 세그먼트(1)의 주 면(11)에 접한다. 표면(53)은 내측으로 파우치 셀(40)을 향해 배향되어 있고, 파우치 셀(40)로부터 이격되어 있다. 표면(54)은 프레임을 외부로 폐쇄한다. 표면(51)에는 또 다른 밀봉 세그먼트, 예컨대 이하에서 기술되는 도 6에서와 같이, 본 발명에 따른 또 다른 밀봉 세그먼트(101)의 주 면(112)이 접할 수 있다.
도 6은, 본 발명에 따른 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛(31)의 단면을 보여준다. 이 배터리 셀 유닛은 본 발명에 따른 또 다른 밀봉 세그먼트(101)를 포함하며, 도면에는 이 밀봉 세그먼트의 일 섹션만 도시되어 있다. 밀봉 세그먼트(101)는 마찬가지로 단 하나의 관통 개구(103)를 구비한다. 상기 제2 밀봉 세그먼트(101)의 주 면(112)은, 상기 일 밀봉 세그먼트(1)의 관통 개구(3)를 통해 채널(K) 내부로 유입될 수 있는 유체가 제2 밀봉 세그먼트(101)의 관통 개구(103)를 통해 채널(K) 외부로 배출될 수 있도록 프레임(50)에 접해 있다.
본 도면에 도시된 예에서는, 파우치 셀(40)이 밀봉 세그먼트들(1과 101) 사이에 배치되어 있고, 표면(53), 밀봉 세그먼트들(1, 101)은, 파우치 셀(40) 및 밀봉 세그먼트들(1, 101) 사이에 관통 개구(3)와 연통하는 채널(K)이 형성되도록 프레임에 연결되어 있다. 채널은 제2 밀봉 세그먼트(101)의 관통 개구(103)와도 연통한다. 도 6에서는 채널 연장부를 명확하게 볼 수 있는데, 그 이유는 밀봉 세그먼트(101) 중에서 관통 개구(103) 및 주 면(111)의 일부분을 포함한 섹션만이 도시되어 있기 때문이다.
도 6에서 2개의 관통 개구(3, 103)는 모두, 이들이 냉각 채널의 실질적으로 동일한 길이의 두 섹션을 통해 연통하도록 배치되어 있다. 본 도면에 도시된 예에서, 냉각 채널의 2개의 섹션은 파우치 셀(40)의 서로 대향 배치된 측에서 연장된다. 냉각 채널의 일 섹션은 도 6에서 명확하게 볼 수 있다. 이 섹션은 전류 전도 요소(43)로부터 먼 쪽을 향하는 측에서 파우치 셀 둘레에 연장된다. 냉각 채널의 또 다른 섹션은, 도 6에 절개되어 도시된 영역을 지난다. 이 섹션은 도 5에 도시된 전류 전도 요소(43)를 따라서 안내된다.
도 6에서는, 제1 밀봉 세그먼트(1)의 관통 개구(3)를 통해 냉각 채널 내로 유입될 수 있는 냉각 유체가, 제2 밀봉 세그먼트(101)의 관통 개구(103)를 통해 상기 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛(31)의 냉각 채널 외부로 배출될 수 있게 되기 전에, 냉각 채널 내에서 세그먼트 투영 윤곽(2P)의 길이의 20분의 1보다 훨씬 더 긴 구간을 통과해야 한다는 것을 알 수 있다.
도 7에 도시된 트랙션 배터리의 부분은 복수의 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛(31, 131, 231, 331, 431)을 구비한다. 밀봉 세그먼트(101, 201, 301, 401)는 하나의 파우치 셀을 가진 일측 주 면 및 또 다른 파우치 셀을 갖는 타측 주 면과 각각 접촉한다. 파우치 셀들은, 일 밀봉 세그먼트의 주 면을 가진 일측 표면 및 또 다른 밀봉 세그먼트의 주 면을 가진 타측 표면과 각각 접촉한다.
축척에 맞지 않는 도 7에서 밀봉 세그먼트의 두께는 5㎜ 미만이다.
도 6 및 도 7에서 알 수 있듯이, 적층 방향으로 서로 연속하지 않는 밀봉 세그먼트들 내의 관통 개구들이 중첩된다. 도 7에서, 관통 개구들(3, 203, 403)은 관찰자를 향하는 배터리 측에 배열되어 있는 한편, 관통 개구들(103, 303, 503)은 관찰자로부터 먼 쪽을 향하는 배터리 측에 배열되어 있다.
열전도성 밀봉 세그먼트 1, 101, 201, 301, 401, 501
밀봉 세그먼트 에지 및 세그먼트 투영 윤곽 2 및 2P
관통 개구 3, 103, 203, 303, 403, 503
개구 에지 및 개구 투영 윤곽 4 및 4P
제1 주 면 11, 111, 511
제2 주 면 12, 112
밀봉 세그먼트 에지의 제1 섹션 21
밀봉 세그먼트 에지의 제2 섹션 22
밀봉 세그먼트 에지의 제3 섹션 23
밀봉 세그먼트 에지의 제4 섹션 24
밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛 31, 131, 231, 331, 431
파우치 셀 40
파우치 셀의 표면 41
전류 전도 요소 43
프레임 50
프레임의 표면 51, 53, 54
개구 투영면 APF
세그먼트 투영면 APS
세그먼트 투영면의 중심 SP
다각형 P1, P2, P3

Claims (15)

  1. 밀봉 세그먼트 에지(2)에서 서로 이어지는 제1 주 면(11) 및 제2 주 면(12), 그리고 제1 주 면(11)으로부터 제2 주 면(12) 쪽으로 밀봉 세그먼트(1)를 관통하는 하나 이상의 관통 개구(3)를 구비한 밀봉 세그먼트(1)로서,
    주 면에 의해 투영 평면에 접하는 밀봉 세그먼트의 직교 투영(1P)이, 세그먼트 투영면(APS)을 둘러싸는 세그먼트 투영 윤곽(2P) 및 개구 투영 면(APF) 또는 개구 투영 전체 면(APF)을 둘러싸는 하나 이상의 개구 투영 윤곽(4P)을 정의하고,
    APF 대 APS 비율이 0.001 내지 0.20의 범위 내에 놓이며,
    전체 개구 투영 윤곽점들이 세그먼트 투영 윤곽(2P)으로부터 이격되고 주연 세그먼트 투영 영역(OP) 내에 놓이며,
    세그먼트 투영 영역(OP)은 세그먼트 투영 윤곽(2P)에 의해 외부로 제한되고, 세그먼트 투영 영역(OP)이 세그먼트 투영면(APS)의 75%를 차지하도록 선택된, 주연 방향으로 일정한 폭(b)을 갖는, 밀봉 세그먼트(1)에 있어서,
    상기 밀봉 세그먼트가 흑연 포일 층(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트(1).
  2. 제1항에 있어서, 관통 개구의 수가 1개, 2개 또는 3개인 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트(1).
  3. 제1항에 있어서, 일 개구 투영 윤곽의 어떠한 개구 투영 윤곽점도 다른 개구 투영 윤곽의 개구 투영 윤곽점에 대해, 세그먼트 투영 윤곽 길이의 5% 미만의 간격보다 더 가까이 놓이지 않고, 이는 그룹핑된 관통 개구들의 개구 투영 윤곽에 관련해서만 적용되지 않으며; 일 관통 개구의 전체 개구 투영 윤곽점이 하나 이상의 다른 관통 개구의 개구 투영 윤곽의 개구 투영 윤곽점에 대해 세그먼트 투영 윤곽 길이의 4% 미만의 간격을 취하는 경우에, 관통 개구들이 그룹핑된 것으로서 간주되는; 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트(1).
  4. 제1항에 있어서, 흑연 포일 층(5)이 밀봉 세그먼트 에지(2)까지 연장되는 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트(1).
  5. 제1항에 있어서, 흑연 포일 층(5)이 밀봉 세그먼트(1) 내에서 연장되되, 직교 투영(1P) 내에서 세그먼트 투영면의 중심(SP)에 가장 가까운 개구 투영 윤곽점보다 세그먼트 투영면의 중심(SP)에 더 가까이 놓여 있는 지점까지 연장되는 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트(1).
  6. 제1항에 있어서, 흑연 포일 층(5)이 부분 압축 흑연 팽창물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트(1).
  7. 제1항에 있어서, 주 면들 중 하나 이상에 전기 절연 코팅(6)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트(1).
  8. 제1항에 있어서, APF 대 APS 비율이 0.004 내지 0.10의 범위 내에 놓이는 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트(1).
  9. 제1항에 있어서, 세그먼트 투영 윤곽(2P) 내에서 개구 투영 윤곽(4P)은, 이 개구 투영 윤곽(4P)이 완전히 다각형(P2) 내부에 놓이도록, APS의 6분의 1인 면적을 갖는 등변 및 등각 다각형(P2)이 세그먼트 투영 윤곽(2P) 내부에서 정렬될 수 있게 놓이는 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트(1).
  10. 제1항에 있어서, 세그먼트 투영 윤곽(2P) 내에서 개구 투영 윤곽(4P)은, 하나 또는 복수의 지점에서 개구 투영 윤곽(4P)과 교차하는 직선이 2개 이상의 지점에서 제1 세그먼트 투영 윤곽(2P)과 교차하지 않도록 놓이는 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트(1).
  11. 배터리 셀(40)을 포함하는, 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛(31)에 있어서,
    배터리 셀(40)이 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 밀봉 세그먼트(1)의 주 면(11)과 열 접촉되는 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛(31).
  12. 제11항에 있어서, 상기 열 접촉은, 배터리 셀(40)이 밀봉 세그먼트(1)의 주 면들 중 하나(11)와 물리적으로 접촉함으로써 형성되며, 이때 배터리 셀(40)은 관통 개구(3)와 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛(31).
  13. 제11항에 있어서, 주 면(11)에 접하는 프레임(50)이 구비되며, 상기 주 면은, 배터리 셀(40), 밀봉 세그먼트(1) 및 프레임(50)에 의해 제한되는, 그리고 유체가 관통 개구(3)를 통해 그 내부로 유입될 수 있는 채널(K)이 형성되도록, 배터리 셀(40)과 열 접촉하는 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛(31).
  14. 제13항에 있어서, 상기 밀봉 세그먼트(1)와 동일하게 구성된 제2 밀봉 세그먼트(101)가 구비되며, 이 경우 일 밀봉 세그먼트(1)의 관통 개구(3)를 통해 채널(K) 내로 유입될 수 있는 유체가 제2 밀봉 세그먼트(101)의 관통 개구(103)를 통해 채널(K) 외부로 배출될 수 있도록, 제2 밀봉 세그먼트(101)의 주 면(112)이 프레임(50)에 접하는 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛(31).
  15. 제14항에 있어서, 2개의 관통 개구(3, 103)는, 이들 관통 개구가 채널(K)의 동일한 길이의 2개의 섹션(KA1, KA2)을 통해 연결되도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 밀봉 세그먼트 배터리 셀 유닛(31).
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