KR102493410B1 - 배터리 모듈 캐리어 및 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈 캐리어에 관한 것으로, 상부 플랜지, 웹 및 하부 플랜지를 갖는 H-빔, 상기 상부 플랜지 내에 배치되고, 상기 상부 플랜지의 전체 길이에 걸쳐 연장된 적어도 하나의 제1 냉각제 할로우 및 상기 웹 내에 배치되고, 상기 웹의 전체 길이에 걸쳐 연장된 적어도 하나의 제2 냉각제 할로우를 포함하는 배터리 모듈 캐리어를 제공한다.

Description

배터리 모듈 캐리어 및 배터리 시스템{BATTERY MODULE CARRIER AND BATTERY SYSTEM}
본 발명은 배터리 모듈 캐리어 및 배터리 시스템에 관한 것이다.
이차 전지는 반복적으로 충전 및 방전을 할 수 있다는 점에서 일차 전지와 상이한 반면, 일차 전지는 화학적 에너지의 전기 에너지로의 비가역적인 전환 만을 제공한다. 낮은 용량의 이차 전지는 휴대폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치용 전원으로서 사용되는 반면, 고용량의 이차전지는 하이브리드 차량 등의 전원으로 사용된다.
일반적으로, 이차 전지는 양극, 음극, 및 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함하는 전극 어셈블리, 전극 어셈블리를 수용하는 케이스, 및 전극 어셈블리에 전기적으로 연결되는 전극 단자를 포함한다. 전해질 용액은 양극, 음극 및 전해질 용액의 전기 화학적 반응을 통해 전지의 충전 및 방전이 가능하도록 케이스 내에 주입된다. 실린더 형, 직사각형 등 케이스의 형태는 전지의 목적에 따라 달라진다.
이차 전지는 하이브리드 차량의 모터 구동 등과 같이 고밀도 에너지를 제공하기 위하여 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 단위 배터리 셀들로 형성된 배터리 모듈로서 사용될 수 있다. 즉, 배터리 모듈은 요구되는 전원의 양에 따라 전기 자동차용과 같은 고전원 이차전지를 실현하기 위하여 복수의 단위 배터리 셀의 전극 단자를 서로 연결하는 것에 의해 형성된다.
배터리 모듈들은 블록 디자인 또는 모듈식의 디자인으로 구성될 수 있다. 블록 디자인에서 각 배터리는 하나의 공통 전류 제어 구조 및 배터리 관리 시스템에 연결되어 그 단위로 하우징 내에 배치된다. 모듈식 디자인에서 복수의 배터리 셀이 서브 모듈에 연결되고 몇개의 서브 모듈이 연결되어 모듈을 형성한다. 모듈식 디자인에서, 다른 배터리 관리 기능이 모듈 또는 서브 모듈 레벨이서 실현될 수 있어서 교환 가능성 면에서 선호되고 있다.
배터리 시스템을 형성하기 위해, 하나 이상의 배터리 모듈이 기계적, 전기적으로 통합되고, 열관리 시스템을 갖추고, 하나 이상의 전기 소비체와 통신하도록 설치되어야 한다. 또한, 배터리 시스템은 배터리 관리 유닛(battery management unit, BMU) 및 배터리 차단 유닛(battery disconnect unit, BDU)을 포함한다.
모듈 디자인에서 전기적 통합를 위해, 병렬로 연결된 복수의 셀들을 갖는 서브 모듈들이 직렬로 연결되거나(XsYp), 또는 직렬로 연결된 복수의 셀들을 갖는 서브 모듈들이 병렬로 연결된다(XpYs). XsYp 타입 서브 모듈은 고전압을 생성할 수 있지만 각 개별 셀의 전압 레벨이 개별적으로 제어되어야만 한다. 따라서, XsYp 타입 서브 모듈에서는 배선 복잡도가 높아진다. XpYs 타입 서브 모듈에서, 병렬로 연결된 셀들의 전압 레벨은 자동으로 안정되고 따라서 서브 모듈 레벨에서의 전압 제어로 충분하다. 따라서, XpYs 타입 서브 모듈에서는 배선 복잡도가 감소된다. 병렬로 연결된 셀의 서브 모듈에서, 그들의 용량은 상승하고 따라서 XpYs 타입 서브 모듈은 대체로 낮은 용량의 셀들에 사용된다.
열 관리 시스템은 이차 전지로부터 발생되는 열을 효과적으로 방출, 발산 및/또는 소멸시키는 것에 의해 배터리 모듈을 안전하게 사용하기 위해 요구된다. 만약 열 방출/발산/소멸이 충분히 수행되지 않으면 배터리 셀 각각 사이에 온토 편차가 발생하여 배터리 모듈이 요구되는 양의 전원을 생상할 수 없게 된다. 또한, 내부 온도의 상승은 그 안에서 비정상적인 반응의 발생을 초래할 수 있고 이차 전지의 수명이 단축된다. 따라서, 셀로부터 열을 효과적으로 방출/발산/소멸 시키기 위한 냉각 장치가 요구된다.
배터리 시스템에 연결된 다양한 전기 소비체의 동적 전력 수요를 만족하기 위하여, 배터리 전원 출력 및 충전의 정적 제어는 충분하지 않다. 따라서, 배터리 시스템과 전기 소비체의 제어부 사이에 꾸준한 정보 교환이 필요하다. 중요한 정보에는 배터리 시스템의 실제 충전 상태(SoC), 잠재적인 전기 성능, 충전 능력 및 내부 저항은 물로 실제 또는 예측된 전력 수요 및 소비체의 잉여분이 포함된다.
기계적 통합은 개별 구성들 사이 및 개별 구성들과 자동차와 같은 전기적 소비체를 제공하는 시스템의 구조 사이에 적절한 기계적 연결을 필요로 한다. 이러한 연결은 배터리 시스템의 평균 서비스 수명 동안 및 자동차 등의 사용 중 제공되는 응력 하에서 기능을 유지하고 저장하도록 설계되어야 한다. 동시에, 설치 공간 및 교환 가능성 요구 역시 특히 모바일 장치에 있어서는 충족시켜야 한다.
배터리 모듈의 기계적 통합은 접지판 등의 캐리어 플레이트를 제공하고, 개별 배터리 셀 또는 서브 모듈을 거기에 위치시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 베터리 셀 또는 서브 모듈의 고정은 캐리어 플레이트의 오목부에 맞추는 것, 볼트 또는 나사와 같은 기계적 연결자 또는 셀 또는 서브 모듈을 구속하는 것에 의해 달성될 수 있다. 구속은 측부 플레이트를 캐리어 플레이트의 측면에 고정하는 것 및/또는 추가의 캐리어 플레이트를 상부에 제공하고, 이를 제1 캐리어 플레이트 및/또는 측부 플레이트에 고정하는 것에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 다층의 배터리 모듈이 구성될 수 있고, 상기 캐리어 플레이트 및/또는 측부 플레이트는 셀 또는 서브 모듈의 냉각을 제공하기 위한 냉각제 덕트를 포함할 수 있다.
배터리 서브 모듈의 기계적 통합은 기계적으로 보강된 전기 커넥터를 사용하거나, 상기 전기 커넥터에 더하여 배터리 셀을 캐리어 빔 또는 받침대에 체결하는 것에 의해 달성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 서브 모듈은 상기 서브 배터리 모듈의 일부 또는 모든 면을 덮는 개별 케이스 내에 배치되어 이들 개별 케이스 내에 배치된 채로 배터리 모듈, 예를 들면 캐리어 플레이트 상으로 배치될 수 있다.
종래 기술에 따른 배터리 모듈 또는 배터리 시스템에서는 캐리어 플레이트, 측부 플레이트, 캐리어 빔 등의 복수의 주문형 디자인 부품들이 요구된다. 충분한 기계적 통합을 달성하기 위하여, 복수의 연결 수단들이 서로 다른 부품들을 연결하기 위해 요구된다. 이 때문에, 종래 기술에 의해 얻어진 배터리 모듈은 매우 무겁고, 높은 복잡도를 가지며, 많은 설치 공간을 필요로 한다.
따라서 본 발명의 목적은 이러한 종래 기술의 문제점의 적어도 일부를 극복하거나 저감시켜서, 설치 공간의 요구를 감소시키면서도 간단하고 가벼운 배터리 시스템을 가능하게 하는 배터리 모듈 캐리어를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 주요 구성으로서 상부 플랜지, 웹(web) 및 하부 플랜지를 갖는 H-빔을 포함하는 배터리 모듈 캐리어가 제공된다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 모듈 캐리어는 상기 H-빔으로 구성된다. 상기 H-빔은 상기 상부 플랜지 내에 배치되고 상기 상부 플랜지의 전체 길이에 걸쳐, 즉 상기 H-빔의 길이 방향으로 연장된 적어도 하나의 제1 냉각제 할로우, 및 상기 웹 내에 배치되고 상기 웹의 전체 길이에 걸쳐, 즉 상기 H-빔의 길이 방향으로 연장된 적어도 하나의 제2 냉각제 할로우를 포함한다. 이러한 냉각제 할로우, 즉 적절한 냉각제에 대해 유체가 채워지고, H-빔의 전체 길이를 따라 적절한 유체가 흐를 수 있는 H-내부의 할로우를 제공하는 것에 의해, H-빔이 배터리 모듈 캐리어로서 사용하기에 적절하게 된다. 본 발명자들에 의해 연구된 바에 의하면, 이러한 H-빔은 생산이 용이하고, 효율적으로 그 내부에 여러 개의 배터리 모듈을 조립하기 위한 하중 용량 및 표면적을 제공한다. 상기 냉각제 할로우는 냉각제 할로우 내에 배치되고, 상기 H-빔과 동일 또는 상이한 재질로 이루어진 냉각제 덕트를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 배터리 모듈 캐리어는 상기 하부 플랜지 내에 배치되고 상기 하부 플랜지의 전체 길이 에 걸쳐, 즉 상기 H-빔의 길이 방향으로 연장된 적어도 하나의 제3 냉각제 할로우를 포함한다. 이에 의해, 배터리 모듈 캐리어에 부착된 배터리 모듈로부터의 열 전달이 더욱 효율적으로 이루어진다. 또한, 상기 상부 플랜지, 상기 웹 및 상기 하부 플랜지 내에 냉각제 할로우를 제공하는 것에 의해 H-빔의 중량이 더욱 감소하여 유리하다. 일반적으로, 상부 플랜지 및 하부 플랜지는 적어도 본질적으로 평행한 면에 위치하고 상기 상부 플랜지 및 하부 플랜지 각각의 법선 벡터에 대해 본질적으로 평행한 방향, 즉 상기 H-빔의 높이 방향으로 연장된 웹에 의해 연결된다. 바람직하게, 상기 상부 플랜지 및 상기 하부 플랜지는 적어도 본질적으로 크기에 있어서 동일하게 구성되고, 더욱 바람직하게는 상기 웹이 본질적으로 2개의 동일한 절반으로 하부 플랜지와 상부 플랜지 각각으로 나누도록 구성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 상부 플랜지는 상기 적어도 하나의 제1 냉각제 할로우와 유체적으로 연결되는 적어도 하나의 상부 관통홀을 포함한다. 다시 말해, 상기 상부 플랜지는 상기 상부 플랜지의 전체 높이를 가로지르도록 연장된, 즉 상기 상부 플랜지의 제1 면으로부터 상기 상부 플랜지의 제1 면에 반대되는 제2 면까지 연장된 개구를 갖는다. 상기 적어도 하나의 상부 관통홀은 바람직하게 상기 제1 냉각제 할로우를 외부 냉각제 회로에 연결하도록 구성된다. 상기 상부 플랜지 위의 상기 제1 냉각제 할로우와 접촉하는 것에 의해, 다수의 H-빔은 H-빔의 길이 방향으로 직렬로 연결 및/또는 상기 H-빔의 폭 방향, 즉 즉 상기 길이 방향 및 상기 H-빔의 높이 방향에 수직한 방향으로 조밀한 패킹으로 배열이 가능해진다.
대안적으로 또는 추가적으로, 상기 하부 플랜지는 상기 적어도 하나의 제3 냉각제 할로우에 유체적으로 연결된 적어도 하나의 하부 관통홀을 포함한다. 다시 말해, 상기 하부 플랜지는 그 길이 방향을 따라 내부를 관통하도록 연장된, 즉 상기 하부 플랜지의 제1 면으로부터 상기 하부 플랜지의 제1 면에 반대되는 제2 면까지 연장된 개구를 갖는다. 상기 적어도 하나의 하부 관통홀은 바람직하게 상기 제3 냉각제 할로우를 외부 냉각제 회로에 연결하도록 구성된다. 원칙적으로, 상기 적어도 하나의 하부 관통홀은 상기 적어도 하나의 상부 관통홀과 같은 이점을 제공한다. 보다 바람직하게, 상기 웹은 상기 제2 냉각제 할로우를 외부 냉각제 회로에 연결되는 적어도 하나의 냉각제 포트, 예를 들면 냉각제 주입 포트 및 냉각제 배출 포트를 포함한다. 특히, 상기 상부 플랜지의 상부 관통홀, 상기 하부 플랜지의 하부 관통홀, 및 상기 웹의 냉각제 포트를 사용하는 것에 의해, 상기 제1 냉각제 할로우, 상기 제2 냉각제 할로우 및 상기 제3 냉각제 할로우가 분리될 수 있고, 병렬 냉각이 실현될 수 있다. 이러한 병렬냉각은 오류가 적고 냉각제 할로우들 사이의 상호 연결을 최소한으로 줄일 수 있다.
상기 배터리 모듈 캐리어의 실시 형태에 따르면, 상기 제2 냉각제 할로우는 상기 제1 냉각제 할로우 및 상기 제3 냉각제 할로우 중 적어도 하나에 유체적으로 연결된다. 다시 말해, 상기 냉각제 할로우들 중 적어도 두 개는 H-빔 전체에 걸쳐 연장하는 단일의 냉각 채널을 형성하도록 서로 연결될 수 있다. 이러한 실시 형태에 따르면, 상호 연결된 냉각제 할로우들을 외부 냉각제 회로에 유체적으로 연결하기 위한 적어도 하나의 외부 냉각제 포트를 단지 하나만 제공하여도 된다는 점에서 유리하다. 이는 주변 시스템, 즉 자동차에 있어서, 용이한 통합을 가능하게 하거나, 및/또는 복수의 배터리 모듈 캐리어를 조밀하게 패킹할 수 있게 한다. 특히 바람직하게는, 3개의 모든 냉각제 할로우, 즉 제1, 제2 및 제3 냉각제 할로우들이 H-빔 내에서 상호 연결된다. 대안적으로, 상기 제1 및 제2 냉각제 할로우 또는 상기 제3 및 제2 냉각제 할로우가 상호 연결되고, 남아있는 제3 또는 제1 냉각제 할로우가 각각 외부 냉각제 회로에 연결하기 위한 개별의 적어도 하나의 냉각제 포트를 포함한다.
상기 적어도 2개의 상호 연결된 냉각제 할로우는 상기 H-빔의 폭방향 및 길이 방향에 수직인 방향, 즉 H-빔의 높이 방향으로 연장하는 적어도 하나의 내부 관통홀에 의해 서로 유체적으로 연결될 수 있다. 상기 적어도 하나의 내부 관통홀은 바람직하게 상기 제1 냉각제 할로우 등의 제1 내부면을 상기 제2 냉각제 할로우 등의 제1 내부면에 반대되는 제2 내부면과 연결한다. 상기 적어도 하나의 내부 관통홀은 적어도 2개의 분리된 부품, 예를 들면 상부 플랜지와, 웹 및 하부 플랜지의 조합으로부터 H-빔을 조립하는 것에 의해 제공될 수 있다. 그러면 각각의 부품은 상부 또는 하부면에 각각의 냉각제 할로우 내로 연장되는 적어도 하나의 개구를 각각 포함하게 되고, 상기 개구부들은, H-빔의 조립 상태에서 중첩된다. 이에 의해, 조립된 부품들의 냉각제 할로우들 사이의 유체적 연결이 얻어진다. 대안적으로, 상기 H-빔은 이동 가능한 부재를 갖는 압출 매트릭스를 사용하여 일체식 구조의 부품으로서 압출될 수 있다. 대안적으로, 상기 적어도 2개의 냉각제 할로우는 H-빔의 앞면에 부착되는 프론트 플레이트 및/또는 H-빔의 후면에 부착되는 엔드 플레이트를 통해 서로 유체적으로 연결된다.
본 발명에 따른 배터리 모듈 캐리어의 보다 바람직한 실시예에 있어서, 상기 상부 플랜지 및 상기 하부 플랜지는 상기 H-빔의 높이 방향에서 이격되어 있어서 복수의 배터리 모듈이 상기 웹의 양 측에서 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지 사이에 배치될 수 있다. 또한, 상기 하부 플랜지는 H-빔의 폭 방향으로 연장하여 복수의 배터리 모듈이 웹의 양 측에서 하부 플랜지 상에 배치될 수 있거나, 및/또는 복수의 배터리 모듈이 하부 플랜지의 하부, 즉 배터리 모듈 캐리어의 웹과 접촉하는 면과 반대되는 하부 플랜지의 일면으로부터 장착될 수 있다. 다시 말해, 상기 H-빔은 복수의 복수의 배터리 모듈이 웹의 양측에서 하부 플랜지와 상부 플랜지 사이 및 하부 플랜지 상에 배치되도록 설계되고, 특히 바람직하게는 H-빔의 폭 방향에서 상부 및 하부 플랜지 중 하나보다 돌출되지 않도록 설계 되고 크기가 결정된다.
또한, 바람직하게는 상기 상부 플랜지는 상기 H-빔의 폭 방향으로 연장되어 추가적인 복수의 배터리 모듈들이 상부 플랜지 상에 배치될 수 있다. 즉, 많은 수의 배터리 모듈들이 공간적인 면에서 효율적인 방법으로 배터리 모듈 캐리어에 배치될 수 있다. 또한, 바람직하게는 상기 상부 플랜지, 상기 하부 플랜지, 및 상기 웹 중 적어도 하나는 각각의 배터리 모듈이 부착된 부착 수단을 수용하도록 구성된 연결 수단을 포함한다. 다시 말해, 상기 H-빔은 복수의 배터리 모듈이 H-빔의 구성에 부착 또는 고정되도록 더욱 변형될 수 있다.
바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 상부 플랜지, 상기 웹, 및 상기 하부 플랜지는 중공 압출재(extruded profile)이다. 본 실시 형태에 따르면, 상기 H-빔은 개별적으로 압출에 의해 제조된 후 H-빔을 형성하기 위해 용접 등에 의해 조립된 적어도 2개의 구성들로 이루어진다. 이러한 실시 형태는 각 구성들을 간단하게 제조할 수 있는 반면 적어도 2개의 냉각제 할로우들을 유체적으로 연결하기 위한 내부 관통홀들의 특징을 용이하게 실현할 수 있다는 점에서 유리하다. 대안적으로, 전체로서 상기 H-빔이 중공 압출재일 수 있다. 다시 말해, 상기 H-빔이 일체식 구조의 구성으로서 제조된다. 이는 향상된 기계적 일체성 및 안정성을 갖는 H-빔을 제공하는 반면, 모든 특징이 적절한 압출 매트릭스, 예를 들면 압출시 이동 가능한 구성을 갖는 압출 매트릭스를 사용하는 것에 의해 여전히 실현 가능하다. 보다 바람직하게, 본 발명에 의한 복수의 배터리 모듈 캐리어는 서로 연결되어 예를 들면 2개의 H 형상을 형성할 수 있고, 이에 의해 이러한 패키지에 부착될 수 있는 모듈의 개수를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 상술한 본 발명의 배터리 모듈 캐리어를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다. 상기 배터리 시스템은 상기 웹의 제1 측부에서 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지 사이에 배치되는 제1 배터리 모듈군, 및 상기 웹의 제2 측부에서 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지 사이에 배치되는 제2 배터리 모듈군을 더 포함한다.
바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 배터리 시스템은 상기 웹의 상기 제1 측부에서 상기 상부 플랜지 및 상기 하부 플랜지 중 적어도 하나에 부착되는 제1 측부 커버를 포함한다. 상기 부착은 스크류 등에 의해 고정되는 것이거나, 또는 힌지 연결 등과 같이 이동 가능한 것일 수 있다. 상기 제1 측부 커버는 상기 제1 배터리 모듈군을 덮도록 구성된다. 보다 바람직하게, 상기 배터리 시스템은 상기 제1 측부 커버와 유사하게 상기 웹의 제2 측부에서 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지 중 적어도 하나에 부착되고, 상기 제2 배터리 모듈군을 덮도록 구성되는 제2 측부 커버를 포함한다. 본 발명의 따른 배터리 시스템은, 공간상 효율적으로 배치되고, 그들의 상면에 위치하는 제1 냉각제 할로우 및 측면에 위치하는 제2 냉각제 할로우를 통해 냉각되는 2개의 배터리 모듈군을 포함하는 점에서 유리하다.
바람직하게, 상기 배터리 시스템은 상기 상부 플랜지의 상부에 배치되는 제3 배터리 모듈군을 더 포함한다. 이에 의해, 배터리 시스템 내의 배터리 모듈군의 양은 더 증가될 수 있고 배터리 모듈 캐리어의 기계적 안정성이 충분히 활용될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상부 커버가 상기 상부 플랜지에 부착되어 상기 제3 배터리 모듈군을 덮는다. 상기 상부 커버는 상기 제3 배터리 모듈군을 둘러싸도록 구성된 딥 드로운(deep-drawn) 판금과 같은 딥 드로우 시트를 포함할 수 있다. 상기 딥 드로운 판금은 배터리 모듈 및 다른 구성들의 보호를 제공하고, 또한 배터리로부터 방출되는 열을 효율적으로 방사하기 위한 큰 열교환 표면을 제공한다.
보다 바람직하게, 상기 배터리 시스템은 하부로부터 상기 하부 플랜지에 장착되는, 즉 상기 웹과 접촉하는 면과 반대되는 상기 하부 플랜지의 일면에 장착되는 제4 배터리 모듈군을 포함한다. 이에 의해, 배터리 시스템 내의 배터리 모듈군의 양은 더 증가될 수 있고 배터리 모듈 캐리어의 기계적 안정성이 충분히 활용될 수 있다. 보다 바람직하게, 하부 커버가 상기 하부 플랜지에 부착되어 상기 제4 배터리 모듈군을 덮는다. 상기 하부 커버는 상기 제4 배터리 모듈군을 둘러싸도록 구성된 딥 드로운(deep-drawn) 판금과 같은 딥 드로우 시트를 포함할 수 있다.
바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 배터리 시스템은 배터리 관리 유닛(BMU) 및/또는 배터리 차단 유닛(BDU)과 같은 제어용 전자 어셈블리를 더 포함하고, 제어용 전자 어셈블리는 상기 웹의 적어도 하나의 측부에서 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지 상에 배치된다. 상기 제어용 전자 어셈블리는 바람직하게 전기적 및/또는 전자적으로 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 배터리 모듈군 들 중 적어도 하나와 연결된다. 전기적 연결은 전원 전달을 위해 구성된 연결을 칭하고, 전자적 연결은 신호 전달을 위해 구성된 연결을 칭한다. 보다 바람직하게, 상기 제어용 전자 어셈블리는 적어도 하나의 전원 포트, 즉 외부 전원 회로와 연결하도록 구성된 포트, 및/또는 적어도 하나의 신호 포트, 즉 외부 제어 유닛과 연결하도록 구성된 포트를 포함한다. 이들 실시 형태에 따르면, 본 발명의 배터리 시스템은 냉각, 전원 전달, 및 신호 전달에 대하여 완전히 통합되고, 따라서 공간이 배터리 모듈의 작동을 위해 요구되는 모든 기능을 효율적으로 제공한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템은 바람직하게 상기 H-빔의 앞면에 부착되는 적어도 하나의 프론트 플레이트 및/또는 상기 H-빔의 후면에 부착되는 적어도 하나의 엔드 플레이트를 더 포함한다. 상기 프론트 플레이트 및 상기 엔드 플레이트 각각은 복수의 플레이트 세그먼트로 이루어질 수 있다. 다수의 H-빔이 직렬로 배치되고, 바람직하게 상기 제1 냉각제 할로우, 상기 제2 냉각제 할로우, 및 상기 제3 냉각제 할로우 중 적어도 하나에 대하여 직렬로 연결될 때, 상기 배터리 시스템은 프론트 플레이트 및 엔드 플레이트 중 단지 하나만을 포함할 수 있다. 고립된 배터리 모듈 캐리어가 사용될 때에는, 상기 배터리 시스템이 H-빔의 앞면 및 후면을 각각 덮는 프론트 플레이트 및 엔드 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 프론트 플레이트 및 상기 엔드 플레이트는 앞면과 후면을 덮는 것에 더하여 배터리 모듈을 보호하는 기능을 갖도록 구성될 수 있다.
바람직한 실시 형태에 따르며, 상기 프론트 플레이트 및 상기 엔드 플레이트 중 적어도 하나는 상기 제1 냉각제 할로우, 상기 제2 냉각제 할로우 및 상기 제3 냉각제 할로우를 외부 냉각제 회로에 유체적으로 연결하도록 구성된다. 다시 말해, 상기 프론트 플레이트 및 상기 엔드 플레이트 중 적어도 하나는, 상기 H-빔의 길이 방향으로 상기 냉각제 할로우들 중 하나를 연장시키고, 상기 길이 방향 외의 모든 방향에서 각 냉각제 할로우를 밀봉하도록 구성되고, 외부 냉각제 회로에 연결되도록 구성된 연결 수단을 더 포함한다. 본 실시 형태에 있어서, 앞서 설명한 바와 같이 상부 관통홀 및 하부 관통홀 중 적어도 하나는 프론트 플레이트 및/또는 엔드 플레이트에 의해 그들의 기능이 제공되므로 생략될 수 있다. 상기 제2 냉각제 할로우는 상기 프론트 플레이트 및/또는 상기 엔드 플레이트를 통해 외부 냉각제 회로에 연결된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 보다 바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 프론트 플레이트 및 상기 엔드 플레이트 중 적어도 하나는 상기 제1 냉각제 할로우, 상기 제2 냉각제 할로우 및 상기 제3 냉각제 할로우 중 적어도 두개를 유체적으로 서로 연결하도록 구성된다. 다시 말해, 상기 프론트 플레이트 및 상기 엔드 플레이트 중 적어도 하나는, 상기 H-빔의 길이 방향으로 2개의 냉각제 할로우를 연장시키고, 상기 길이 방향에 수직인 방향, 예를 들면 H-빔의 높이 방향으로 이들을 되돌려서 이들이 서로 유체적으로 연결되도록 구성된다. 프론트 플레이트 또는 엔드 플레이트 각각은 내부 냉각제 채널을 포함하거나, H-빔의 앞면 또는 후면과 마주하고, 2개의 냉각제 할로우와 각각 중첩되는 오목부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 보다 바람직한 실시예에 있어서, 상기 프론트 플레이트 및 상기 엔드 플레이트 중 적어도 하나는 상기 제1 냉각제 할로우, 상기 제2 냉각제 할로우 및 상기 제3 냉각제 할로우 중 적어도 하나를 밀봉하도록 구성된다. 다시 말해, 상기 프론트 플레이트 및/또는 상기 엔드 플레이트 상기 냉각제 할로우 용 밀봉을 형성한다. 본 실시 형태에 있어서, 상기 상부 플랜지 및/또는 상기 하부 플랜지는 상술한 바와 같이 외부 냉각제 회로와 냉각제 할로우를 연결하기 위한 관통홀을 포함한다. 본 실시 형태에 있어서, 상기 냉각제 할로우의 밀봉은 배터리 모듈로부터 충분한 거리를 갖고 이루어지기 때문에 배터리 모듈로 냉각제 액체가 흘러들어가는 것을 피할 수 있다는 점에서 유리하다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 보다 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 프론트 플레이트 및 상기 엔드 플레이트 중 적어도 하나는 상기 적어도 하나의 전원 포트를 외부 전원 회로와 연결하도록 구성된다. 상기 프론트 플레이트 또는 상기 엔드 플레이트는 상기 제어용 전자 어셈블리의 상기 전원 포트를 통해 가이드 하기 위한 개구를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 프론트 플레이트 또는 상기 엔드 플레이트는 상기 제어용 전자 어셈블리의 상기 전원 포트와 연결하도록 구성된 내부 전원 포트 및 상기 내부 전원 포트와 연결되고 상기 외부 전원 회로와 연결하도록 구성된 외부 전원 포트를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 프론트 플레이트 및 상기 엔드 플레이트 중 적어도 하나가 상기 적어도 하나의 신호 포트를 외부 신호 회로에 연결하도록 구성된다. 상기 프론트 플레이트 또는 엔드 플레이트는 상기 제어용 전자 어셈블리의 상기 신호 포트를 통해 가이드 하기 위한 개구를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 프론트 플레이트 또는 상기 엔드 플레이트는 상기 제어용 전자 어셈블리의 상기 신호 포트에 연결하도록 구성된 내부 신호 포트 및 상기 내부 신호 포트에 연결되고 외부 제어 유닛에 연결하도록 구성된 외부 신호 포트를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, H-빔의 배터리 모듈 캐리어로서의 용도에 관한 것으로, 상기 H-빔은 상부 플랜지 내에 배치되고 상기 상부 플랜지의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 적어도 하나의 냉각제 할로우, 및 상기 웹 내부에 배치되고 상기 웹의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 적어도 하나의 제2 냉각제 할로우를 포함한다. 상기 H-빔은 본 발명에 따른 배터리 모듈 캐리어에 대하여 상술한 바와 같은 특징을 더 포함할 수 있고, 특히 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 배터리 시스템에서 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 설치 공간의 요구를 감소시키면서도 간단하고 가벼운 배터리 시스템을 가능하게 하는 배터리 모듈 캐리어를 제공할 수 있다.
본 발명의 특징은 후술한 도면을 참고로 한 여러 실시예들의 상세한 설명을 통하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 배터리 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 H-빔을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 배터리 시스템의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하여, 본 발명에 따른 배터리 시스템의 예시적인 실시 형태를 설명한다. 기계적인 통합을 위한 주요 구성으로서, 배터리 시스템(100)은 H자 형상의-빔(10, 이하 H-빔이라 칭한다)을 갖는 배터리 모듈 캐리어(101)를 포함한다.
상기 H-빔(10)은 상부 플랜지(11), 웹(12) 및 하부 플랜지(13)를 포함하고, 이들은 상기 H-빔(10)의 단면이 H-형상을 갖도록 연결된다. 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 두 개의 제1 냉각제 할로우(14)가 상기 상부 플랜지(11) 내부에 배치되고, 한 개의 제1 냉각제 할로우(14)가 상기 상부 플랜지(11)의 각 사이드에 위치한다. 상기 상부 플랜지(11)와 상기 하부 플랜지(13)를 연결하는 상기 웹(12)은 제2 냉각제 할로우(15)를 포함하고, 상기 하부 플랜지(13)는 복수의 제3 냉각제 할로우(16)를 포함한다. 상기 제1 냉각제 할로우(14), 상기 제2 냉각제 할로우(15) 및 상기 제3 냉각제 할로우(16) 각각은 상기 H-빔(10)의 전체 길이에 걸쳐 연장된다.
두 개의 상부 관통홀(17)이 상기 상부 플랜지(11)의 상면에 배치되고, 상기 상부 플랜지(11)를 관통하여 연장된다. 각각의 상기 상부 관통홀(17)은 상기 제1 냉각제 할로우(14) 중 어느 하나에 유체적으로 연결되며, 상기 각 상부 관통홀(17)에는 냉각제 입구용 주입구(18) 및 출구용 주입구(19)가 설치되어 상기 각각의 제1 냉각제 할로우(14)를 외부 냉각 회로(예: 자동차 냉각 시스템/미도시)에 연결하도록 구성된다. 상기 제1 냉각제 할로우(14)는 상기 H-빔(10)의 후면에 부착된 엔드 플레이트(52)를 통해 상기 제2 냉각제 할로우(15)에 유체적으로 연결된다. 상기 엔드 플레이트(52)는 상기 제1 냉각제 할로우(14) 및 상기 제2 냉각제 할로우(15) 각각에 연결되는 냉각제 연결 채널(미도시)을 포함한다. 상기 제2 냉각제 할로우(15)는 상기 H-빔(10)의 앞면에 부착된 프론트 플레이트(51)를 통하여 상기 제3 냉각제 할로우(16)에 유체적으로 연결된다. 상기 프론트 플레이트(51)는 상기 제2 냉각제 할로우(15) 및 상기 제3 냉각제 할로우(16) 각각에 연결되는 복수의 냉각제 연결 채널(미도시)을 포함한다.
세 개의 배터리 모듈(20)을 갖는 제1 배터리 모듈군(21)은 상기 웹(12)의 제1 측부(도면 기준으로 오른쪽)에서 상기 하부 플랜지(13) 상 및 상기 상부 플랜지(11)와 상기 하부 플랜지(13) 사이에 배치된다. 4개의 배터리 모듈(20)을 갖는 제2 배터리 모듈군(22)은 상기 웹(12)의 제2 측부(도면 기준으로 왼쪽)에서 상기 하부 플랜지(13) 상 및 상기 상부 플랜지(11)와 상기 하부 플랜지(13) 사이에 배치된다. 상기 제1 배터리 모듈군(21)은 나사를 통해 상기 상부 플랜지(11) 및 상기 하부 플랜지(13)에 부착된 제1 측부 커버(31)에 의해 덮이고, 상기 제2 배터리 모듈군(22)은 나사를 통해 상기 상부 플랜지(11) 및 상기 하부 플랜지(13)에 부착된 제2 측부 커버(32)에 의해 덮인다. 2개의 배터리 모듈(20)을 갖는 제3 배터리 모듈군(23)은 상부 플랜지(11)의 상면 상에 배치되고, 나사를 통해 상부 플랜지(11)에 부착된 상부 커버(33)로서 딥 드로운 판금에 의해 덮인다.
제어용 전자 어셈블리(40)는 그 앞면이 웹(12)의 제1 측부와 인접하도록, 즉 상기 H-빔의 전면 근처에 위치하도록 하부 플랜지(13) 상에 배치되고, 제1 측부 커버(31)에 의해 덮인다. 따라서, 상기 제어용 전자 어셈블리(40)는 웹(12), 제1 측부 커버(31) 및 프론트 플레이트(51)에 의해 둘러싸인다. 상기 제어용 전자 어셈블리(40)는 상기 제1 배터리 모듈군(21), 상기 제2 배터리 모듈군(22) 및 상기 제3 배터리 모듈군(23) 각각에 전기적 및 전자적으로 연결된다. 상기 제어용 전자 어셈블리(40)는 배터리 관리 유닛(BMU) 및 배터리 차단 유닛(BDU)을 포함한다. 상기 제어용 전자 어셈블리(40)는 외부 전원 회로(미도시)에 연결되도록 상기 프론트 플레이트(51) 내의 개구를 통해 가이드되는 전원 포트(41)를 더욱 포함한다. 상기 제어용 전자 어셈블리(40)는 외부 신호 회로(미도시) 및/또는 외부 제어 회로(미도시)에 연결되도록 상기 프론트 플레이트(51) 내의 개구를 통해 가이드되는 신호 포트(42)를 더욱 포함한다.
10: H-빔 11: 상부 플랜지
12: 웹 13: 하부 플랜지
14: 제1 냉각제 할로우(hollow) 15: 제2 냉각제 할로우(hollow)
16: 제3 냉각제 할로우(hollow) 17: 상부 관통홀
20: 배터리 모듈 21: 제1 배터리 모듈군
22: 제2 배터리 모듈군 23: 제3 배터리 모듈군
31: 제1 측부 커버 32: 제2 측부 커버
33: 상부 커버 40: 제어용 전자 어셈블리
41: 전원 포트 42: 신호 포트
51: 프론트 플레이트 52: 엔드 플레이트
100: 배터리 시스템 101: 배터리 모듈 캐리어

Claims (17)

  1. 상부 플랜지, 웹 및 하부 플랜지를 갖는 H-빔, 상기 상부 플랜지 내에 배치되고, 상기 상부 플랜지의 전체 길이에 걸쳐 연장된 적어도 하나의 제1 냉각제 할로우, 및 상기 웹 내에 배치되고, 상기 웹의 전체 길이에 걸쳐 연장된 적어도 하나의 제2 냉각제 할로우를 포함하는 배터리 모듈 캐리어;
    상기 웹의 제1 측부에서 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지 사이에 배치되는 제1 배터리 모듈군;
    상기 웹의 제2 측부에서 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지 사이에 배치되는 제2 배터리 모듈군;
    상기 상부 플랜지의 상부에 배치되는 제3 배터리 모듈군; 및
    상기 상부 플랜지에 부착되고 상기 제3 배터리 모듈군을 덮는 상부 커버를 포함하는 배터리 시스템.
  2. 상부 플랜지, 웹 및 하부 플랜지를 갖는 H-빔, 상기 상부 플랜지 내에 배치되고, 상기 상부 플랜지의 전체 길이에 걸쳐 연장된 적어도 하나의 제1 냉각제 할로우, 및 상기 웹 내에 배치되고, 상기 웹의 전체 길이에 걸쳐 연장된 적어도 하나의 제2 냉각제 할로우를 포함하는 배터리 모듈 캐리어;
    상기 웹의 제1 측부에서 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지 사이에 배치되는 제1 배터리 모듈군;
    상기 웹의 제2 측부에서 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지 사이에 배치되는 제2 배터리 모듈군;
    아래로부터 상기 하부 플랜지에 장착되는 제4 배터리 모듈군; 및
    아래로부터 상기 하부 플랜지에 부착되고, 상기 제4 배터리 모듈군을 덮는 하부 커버를 포함하는 배터리 시스템.
  3. 제1 항 또는 제2 항에서,
    상기 하부 플랜지 내에 배치되고, 상기 하부 플랜지의 전체 길이에 걸쳐 연장된 적어도 하나의 제3 냉각제 할로우를 더 포함하는 배터리 시스템.
  4. 제1 항 또는 제2 항에서,
    상기 상부 플랜지는 상기 적어도 하나의 제1 냉각제 할로우와 유체적으로 연결되는 적어도 하나의 상부 관통홀을 포함하는 배터리 시스템.
  5. 제3 항에서,
    상기 하부 플랜지는 상기 적어도 하나의 제3 냉각제 할로우와 유체적으로 연결되는 적어도 하나의 하부 관통홀을 포함하는 배터리 시스템.
  6. 제3 항에서,
    상기 제2 냉각제 할로우는 상기 제1 냉각제 할로우와 상기 제3 냉각제 할로우 중 적어도 하나와 유체적으로 연결되는 배터리 시스템.
  7. 제1 항 또는 제2 항에서,
    상기 웹은 상기 제2 냉각제 할로우를 외부 냉각제 회로에 연결하도록 구성된 적어도 하나의 냉각제 포트를 포함하는 배터리 시스템.
  8. 제1 항 또는 제2 항에서,
    상기 제1 배터리 모듈군과 상기 제2 배터리 모듈군이 상기 웹의 양 측에서 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지 사이에 배치될 수 있도록 상기 상부 플랜지 및 상기 하부 플랜지가 상기 H-빔의 높이 방향으로 분리되어 있는 배터리 시스템.
  9. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 상부 플랜지, 상기 웹 및 상기 하부 플랜지 중 적어도 하나는 중공 압출재인 배터리 시스템.
  10. 제1 항 또는 제2 항에서
    상기 웹의 상기 제1 측부에서 상기 상부 플랜지 및 상기 하부 플랜지 중 적어도 하나에 부착되고 상기 제1 배터리 모듈군을 덮는 제1 측부 커버; 및
    상기 웹의 상기 제2 측부에서 상부 플랜지 및 상기 하부 플랜지 중 적어도 하나에 부착되고 상기 제2 배터리 모듈군을 덮는 제2 측부 커버를 더 포함하는 배터리 시스템.
  11. 제1 항에서,
    상기 웹의 적어도 하나의 측부에서 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지 사이에 배치되는 제어용 전자 어셈블리를 더 포함하고,
    상기 제어용 전자 어셈블리는 전기적 및 전자적 중 적어도 하나의 방식으로 상기 제1 배터리 모듈군, 상기 제2 배터리 모듈군 및 상기 제3 배터리 모듈군 중 적어도 하나에 연결되고,
    상기 제어용 전자 어셈블리는 적어도 하나의 전원 포트 및 적어도 하나의 신호 포트 중 하나 이상을 포함하는 배터리 시스템.
  12. 제2 항에서,
    상기 웹의 적어도 하나의 측부에서 상기 상부 플랜지와 상기 하부 플랜지 사이에 배치되는 제어용 전자 어셈블리를 더 포함하고,
    상기 제어용 전자 어셈블리는 전기적 및 전자적 중 적어도 하나의 방식으로 상기 제1 배터리 모듈군, 상기 제2 배터리 모듈군 및 상기 제4 배터리 모듈군 중 적어도 하나에 연결되고,
    상기 제어용 전자 어셈블리는 적어도 하나의 전원 포트 및 적어도 하나의 신호 포트 중 하나 이상을 포함하는 배터리 시스템.
  13. 제3 항에서,
    상기 H-빔의 앞면에 부착되는 적어도 하나의 프론트 플레이트; 및
    상기 H-빔의 후면에 부착되는 적어도 하나의 엔드 플레이트를 더 포함하는 배터리 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 프론트 플레이트 및 엔드 플레이트 중 적어도 하나는, 제1 냉각제 할로우, 상기 제2 냉각제 할로우 및 상기 제3 냉각제 할로우 중 적어도 하나를 외부 냉각제 회로에 유체적으로 연결하도록 구성되는 배터리 시스템.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 프론트 플레이트 및 엔드 플레이트 중 적어도 하나는, 상기 제1 냉각제 할로우, 상기 제2 냉각제 할로우 및 상기 제3 냉각제 할로우 중 적어도 2개가 서로 유체적으로 연결하도록 구성되는 배터리 시스템.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 프론트 플레이트 및 엔드 플레이트 중 적어도 하나는, 상기 제1 냉각제 할로우, 상기 제2 냉각제 할로우 및 상기 제3 냉각제 할로우 중 적어도 하나를 밀봉하도록 구성되는 배터리 시스템.
  17. 삭제
KR1020170126371A 2016-10-13 2017-09-28 배터리 모듈 캐리어 및 배터리 시스템 KR102493410B1 (ko)

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