KR102641002B1 - 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어, 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어를 포함하는 전지 시스템 및 전지 시스템을 포함한 자동차 - Google Patents

착탈식 전지 컴포넌트 캐리어, 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어를 포함하는 전지 시스템 및 전지 시스템을 포함한 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 서브 모듈을 수용하고, 모듈식 전지 시스템을 구성하기 위해 다른 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어 및/또는 캐리어 프레임에 기계적 및 전기적으로 연결되는 착탁실 전지 컴포넌트에 관한 것이다. 상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어는, 바닥 플레이트와, 상기 바닥 플레이트에 수직하며 상기 바닥 플레이트의 2개 대향 종 방향 모서리를 따라 연장되는 한 쌍의 측벽과, 상기 바닥 플레이트 및 상기 측벽에 수직하며 상기 바닥 플레이트의 2개 대향 횡 방향 모서리를 따라 연장되며, 상기 한 쌍의 측벽 및/또는 상기 바닥 플레이트에 기계적으로 연결되어 상기 복수의 전지 셀을 함께 고정하는 한 쌍의 엔드 플레이트 및 상기 바닥 플레이트와 평행하게 연장되며, 상기 바닥 플레이트, 상기 측벽 및 상기 엔드 플레이트와 함께 상기 전지 서브 모듈의 수용 공간을 형성하는 셀 커버를 포함한다. 또한, 본 발명은 복수의 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어가 수용된 캐리어 프레임을 포함하는 전지 시스템에 관한 것이며, 각각의 상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어는 상기 캐리어 프레임으로부터 개별적으로 분리가 가능하다.

Description

착탈식 전지 컴포넌트 캐리어, 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어를 포함하는 전지 시스템 및 전지 시스템을 포함한 자동차{REMOVABLE BATTERY COMPONENT CARRIER, BATTERY SYSTEM INCLUDING REMOVABLE BATTERY COMPONENT CARRIER AND VEHICLE INCLUDING THE BATTERY SYSTEM}
본 발명은 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어, 개별적으로 분리가 가능한 복수의 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어를 포함하는 전지 시스템 및 전지 시스템을 포함하는 자동차에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전과 방전을 반복적으로 수행할 수 있어 다양한 장치에서 널리 사용된다. 저용량 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치용 전원으로서 사용되며, 고용량 이차 전지는 하이브리드(hybrid) 자동차 등 모터 구동용 전원으로 사용된다.
일반적으로, 이차 전지는 양극과 음극, 그리고 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 전극 조립체에 전기적으로 연결된 전극 단자를 포함한다. 케이스는 원통형 또는 직사각형 등 사용 목적 및 디바이스의 설계에 적합하도록 변형하여 만들 수 있다.
이차 전지는 요구되는 에너지 밀도에 따라 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수개의 단위 셀로 형성된 전지 모듈을 사용 한다. 즉, 전지 모듈은 다수의 전지 셀의 적극 단자를 서로 연결하여, 필요한 전력량에 부합하는 다수의 단위 전지의 전극 단자를 서로 연결하여 이차 전지를 구현한다.
전지 모듈은 블록형(block) 또는 모듈형(modular) 방식으로 구현될 수 있다. 블록형 방식은, 각각의 전지 셀이 하나의 공통된 집전 구조와 공통된 전지 관리 시스템에 결합하고, 하우징 내부에 배치된다. 모듈형 방식은, 다수의 전지 셀을 서브 모듈에 연결하고, 다수의 서브 모듈을 서로 연결하여 모듈을 구성한다. 후자의 경우, 전지 관리 기능이 모듈 또는 서브 모듈 레벨에서 실현될 수 있어서 교환 가능성 면에서 선호되고 있다.
적어도 하나 이상의 전지 모듈을 서로 결합하여 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 등을 위한 고출력 이차 전지를 구현할 수 있다. 이에, 전지 시스템을 구성하기 위해, 적어도 하나 이상의 전지 모듈은 열 관리 시스템을 갖추며 기계적 및 전기적으로 통합되어, 전력을 소비하는 회로 또는 장치 등과 같은 적어도 하나 이상의 전기 소비 장치와 연통되도록 구성된다. 이에, 열 관리 시스템은 이차 전지에서 발생하는 열을 방출함으로써, 전지 모듈의 안전성과 효율성을 보장한다.
전지 시스템은 기계적 통합을 이루기 위해, 각각의 구성 부재가 기계적으로 적절하게 서로 연결될 필요가 있다(예를 들어, 전지 서브 모듈 사이의 연결 및 자동차와 같은 전기 소비 장치와의 연결 구조). 이러한 연결 구조는 전지 시스템의 평균 수명과 전기 소비 장치를 사용하는 동안 기능과 안전이 유지되도록 구현되어야 할 것이다. 설치 공간 및 호환성 요구 사항은, 특히 모바일 애플리케이션에서 더욱 고려되어야 할 사항이다.
전지 모듈의 기계적 통합을 달성하기 위해 예컨대 바닥 플레이트와 같은 캐리어 플레이트를 제공하여, 캐리어 플레이트 위로 각각의 전지 셀 또는 서브 모듈을 배치할 수 있다. 전지 셀 또는 서브 모듈을 캐리어 플레이트에 고정하는 것은, 캐리어 플레이트의 함몰된 공간에 끼워 고정시키거나 볼트나 나사 등을 이용하여 기계적으로 연결하거나 또는 전지 셀 또는 서브 모듈을 수용하는 것으로 이룰 수 있다. 체결은 캐리어 플레이트에 전지 셀 또는 서브 모듈의 측면 플레이트를 고정시키는 것으로 구현할 수 있다. 추가적 또는 대안적으로, 전지 서브 모듈은 배터리 모듈에 배열된 개별 케이스 내에 가령, 캐리어 플레이트 위에 배치될 수 있다.
종래 기술에 따른 전지 모듈은 모듈 구조를 갖는다 해도 모든 구성 부품이 서로 연결되어야만 기계적 통합을 이룬다. 따라서, 전지 모듈의 일부인 예컨대 서브 모듈을 교체하기 위해서는 통상적으로 전지 모듈 전체를 분리해야 한다. 이에 전지 모듈의 구성 부재에 결함이 있으면 통상적으로 전체 모듈을 분리, 교체해야 하고, 전지 모듈을 개별적으로 수리해야 해야 한다. 대용량 전지 모듈은 고비용이며 부피가 크고 무겁기 때문에 상기한 수리 절차가 부담스러울 뿐만 아니라, 정비공의 작업장에 부피가 큰 전지 모듈의 저장을 어렵게 한다.
본 발명의 목적은 전지 서브 모듈을 수용 및 보호하도록 구성되고 모듈식 전지 시스템을 구성하기 위해 다른 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어 및/또는 캐리어 프레임에 기계적 및 전기적으로 서로 연결될 수 있는, 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 전지 서브 모듈로부터 발생된 열을 방출할 수 있는 냉각 채널을 포함하고, 전체 냉각 시스템에 걸쳐 통합 냉각 채널을 형성하기 위해 이웃한 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어 냉각 채널 및 캐리어 프레임의 냉각 채널에 연결되도록 구성된 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 서브 모듈을 수용하고, 모듈식 전지 시스템을 구성하기 위해 다른 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어 및/또는 캐리어 프레임에 기계적 및 전기적으로 연결되는 착탁실 전지 컴포넌트에 있어서, 상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어는, 바닥 플레이트와, 상기 바닥 플레이트에 수직하며 상기 바닥 플레이트의 2개 대향 종 방향 모서리를 따라 연장되는 한 쌍의 측벽과, 상기 바닥 플레이트 및 상기 측벽에 수직하며 상기 바닥 플레이트의 2개 대향 횡 방향 모서리를 따라 연장되며, 상기 한 쌍의 측벽 및/또는 상기 바닥 플레이트에 기계적으로 연결되어 상기 복수의 전지 셀을 함께 고정하는 한 쌍의 엔드 플레이트 및 상기 바닥 플레이트와 평행하게 연장되며, 상기 바닥 플레이트, 상기 측벽 및 상기 엔드 플레이트와 함께 상기 전지 서브 모듈의 수용 공간을 형성하는 셀 커버를 포함한다.
상기 셀 커버는 상기 측벽에 고정될 수 있다. 상기 셀 커버는 상기 전지 셀과 상기 측벽 사이에 클램핑될 수 있다. 상기 셀 커버는 나사에 의해 상기 측벽에 고정될 수 있다. 상기 셀 커버는 플라스틱 재질로 만들어질 수 있다.
상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어는 상기 전지 서브 모듈 내의 상기 전지 셀을 전기적으로 연결 및 전자적으로 접속하기 위한 셀 연결 및 감지 유닛(CCU)을 더욱 포함할 수 있으며, 상기 전지 셀은 병렬 또는 직렬 회로에 의해 전기적으로 서로 접속되고, 상기 전지 셀은 셀의 전압 및 온도 감시를 위해 상기한 셀 연결 및 감지 유닛에 전기적으로 연결된다.
상기 CCU는 셀 연결을 위해 버스바를 지지하는 트레이를 포함한다. 상기 CCU는 셀 전압 및 온도 감시 회로 및 제어용 배선 하네스를 더욱 포함하는 것이 좋다.
상기 바닥 플레이트 및 상기 측벽은 압출 알루미늄 프로파일, 강화 플라스틱 압출 프로파일 또는 압연 및 용접된 스틸 캐리어로 이루어질 수 있다. 상기 바닥 플레이트와 상기 측벽은 단일 부재로 형성될 수 있다.
상기 엔드 플레이트는 압출 알루미늄 가공되거나, 부분적으로 알루미늄 또는 강철로 딥 드로잉 되거나, 알루미늄으로 주조 되거나 또는 강화된 플라스틱으로 적용한 압출 또는 주조되어 만들어질 수 있다.
상기 바닥 플레이트 및/또는 상기 측벽은 상기 전지 셀로부터 열을 방출하기 위한 냉각 채널을 포함할 수 있다. 상기 냉각 채널은 인접한 상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어의 상기 냉각 채널에 연결되도록 설계되는 것이 좋다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전지 시스템은, 상기한 전지 컴포넌트 캐리어를 복수로 수용하는 캐리어 프레임을 포함한다. 상기 각 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어는 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 서브 모듈을 적어도 하나로 수용하고, 상기 캐리어 프레임으로부터 개별적으로 착탈이 가능하다.
상기 전지 시스템은, 제어 전자 조립체를 수용하고 신호 포트 및 전력 포트를 포함하는 착탈식 전자 컴포넌트 캐리어를 더욱 포함할 수 있다.
상기 캐리어 프레임은 상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어의 상기 냉각 채널에 연결되도록 구성된 냉매 포트를 포함하는 것이 좋다.
상기 캐리어 프레임은 2개의 종 방향 세그먼트와, 상기 2개의 종 방향 세그먼트에 수직이고 상기 2개의 종 방향 세그먼트에 연결된 2개의 횡 방향 세그먼트를 포함하고, 상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어는 상기 종 방향 세그먼트 또는 상기 횡 방향 세그먼트에 부착되도록 구성된 연결 부재를 포함할 수 있다. 상기 캐리어 프레임은 상기 캐리어 프레임을 보강하고 상기 캐리어 프레임 내부에 형성된 수용 공간을 2개의 하위 공간으로 분할하기 위해 상기 종 방향 세그먼트에 평행하게 연장되는 중앙 세그먼트를 더욱 포함할 수 있다
상기 전지 시스템은, 상기 복수의 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어는 복수의 볼트를 통해 기계적으로 서로 연결되고, 상기 착탈식 전자 컴포넌트 캐리어와 상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어를 전기적으로 연결하고 상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어를 서로 전기적으로 연결하는 하나 이상의 버스바를 더욱 포함할 수 있다.
고전압용 배선 하네스는 상기 전자 컴포넌트 캐리어를 상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어 및/또는 상기 전지 서브 모듈에 전기적으로 연결하기 위해 사용된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 자동차는 상기한 전지 시스템을 포함한다.
본 발명에 따른 상기 착탈식 캐리어를 포함하는 상기 전지 시스템은 상기 전지 서브 모듈의 개별적인 착탈을 허용한다. 더욱이, 착탈식 캐리어 각각은 상기 전지 시스템에 기계적으로 고정됨은 물론 다른 전지 서브 모듈 및 상기 전지 시스템에 전기적으로 연결되고 상기 전지 시스템의 모든 상기 서브 모듈을 통하는 통합 냉각 채널을 구축한다.
본 발명의 추가 측면은 종속 청구항 또는 후술한 설명으로부터 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전지 시스템으로부터 개별적으로 분리가 가능한 복수의 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어로 인해 모듈형 전지 시스템의 조립/분해/교체의 용이성, 수월한 서비스/수리, 및 비용 절감을 가져올 수 있다.
본 발명의 특징은 후술한 도면을 참고로 한 여러 실시예의 상세한 설명을 통하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어의 개략적인 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 효과와 특징을 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 중복되는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서 같은 참조부호를 붙였다.
본 발명의 실시예에 대한 설명에서, 단수 형태의 표현은 문맥에 달리 명시하지 않는 한 복수 형태를 포함할 수 있다.
도면에 있어, 구성 요소의 크기는 명확성을 위해 과장되게 표현될 수 있다. 예를 들어, 도면에서 각 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 크기 또는 두께를 임의로 나타내고 있으나, 본 발명은 반드시 도시된 바에 의해 한정되지 않는다.
"아래에", "밑에", "하부에", "위에", "상에", "상부에"와 같은 공간적인 표현은 도면에 도시된 바에 따라 일 구성요소의 특징을 다른 구성요소와 상대적으로 비교하기 위한 것이다. 한편, 장치의 사용 또는 작동에 따른 구성요소의 또 다른 방향을 추가 포함하고 있어, 따라서 공간적 표현은 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도면에 도시된 장치의 방향이 반대로 뒤집힌다면, 상대 구성요소에 대해 "아래에", "밑에", 또는 "하부에"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소에 대해 "위에", "상에", "상부에"로 방향이 바뀔 것이다. 이에 따라, "아래" 및 "위에"와 같은 표현은 위와 아래 방향을 모두를 포함할 수 있다. 장치는 다른 방향을 향하도록 배치될 수, 예컨대, 90도 등의 방향으로 회전될 수 있는 바, 본 명세서에서 사용된 공간적 상대적 설명은 이에 따라 해석되어야 한다.
일 구성요소 또는 레이어가 다른 일 구성요소 또는 레이어의 "위에", "연결되어" 또는 "결합한" 것으로 표현할 경우, 이는 다른 일 구성요소 또는 레이어에 직접 연결될 수 있거나, 구성요소 사이에 하나 이상의 개재된 또 다른 구성요소 또는 레이어가 존재할 수 있다. 일 구성요소 또는 레이어는 2개의 다른 구성요소 또는 레이어 "사이에" 유일하게 존재할 수 있는가 하면, 적어도 하나 이상의 중간 구성요소 또는 레이어가 사이에 개재되어 더욱 포함할 수도 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전지 시스템(100)의 바람직한 일 실시예가 도시된다. 전지 시스템(100)은 착탈식 전자 컴포넌트 캐리어(20) 및 복수의 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)를 수용하는 캐리어 프레임(10)을 포함한다. 도 1의 바람직한 일 실시예에 따르면, 캐리어 프레임(10)은 6개의 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)를 수용하지만, 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)의 개수는 이로써 한정되지 않는다.
각각의 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)는, 각기 복수의 전지 셀(1, 도 2 참조)을 포함하는 전지 서브 모듈(40, 도 2 참조)을 하나 이상 포함할 수 있다. 도 1의 바람직한 일 실시예에 따르면, 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)는 2개의 전지 서브 모듈(40)을 수용하지만, 전지 서브 모듈(40)의 개수는 이로써 한정되지 않는다.
캐리어 프레임(10)은 직사각형 프레임을 형성하는 2개의 종 방향 세그먼트(16) 및 2개의 횡 방향 세그먼트(17)를 포함한다. 횡 방향 세그먼트(17) 하나는 외부 제어 유닛(미도시)과 접속하는 외부 신호 포트 및 외부 전력 회로(미도시)와 접속하는 외부 전력 포트를 포함하도록 구성될 수 있다. 캐리어 프레임(10)은 종 방향 세그먼트(16)에 평행하게 연장되고 캐리어 프레임(10) 내부에 형성된 수용 공간을 2개의 하위 공간으로 분할하는 중앙 세그먼트(18)를 더욱 포함할 수 있다.
착탈식 전자 컴포넌트 캐리어(20)는 바닥 플레이트 및 바닥 플레이트 위에 위치된 제어 전자 조립체(21)를 포함한다. 착탈식 전자 컴포넌트 캐리어(20)는 외부 제어 회로(미도시)와 제어 전자 조립체(21) 사이에서 제어 신호를 전송하기 위한 신호 포트(22) 및 캐리어 프레임(10)을 외부 전원 회로(미도시) 예를 들어, 전지 시스템의 전원 회로, 전지 관리 시스템 또는 직접 하나 이상의 전기 소비 장치에 연결하기 위한 전원 포트(23)를 포함한다.
제어 신호(예: 실제 전력 수요)에 기초하여, 제어 전자 조립체(21)는 실제 수요를 충족하는 전력을 제공할 수 있도록 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30) 위에 배치된 전지 서브 모듈(40)을 제어한다. 제어 전자 조립체(21)는 전자 컴포넌트 캐리어(20)에 전기적으로 연결된다. 즉, 제어 전자 조립체(21)는 인접한 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)에 전기적으로 연결되고, 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)에 부착된 전지 서브 모듈(40)과도 전기적으로 연결되며, 나아가 다음 인접한 전지 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30) 등등에 전기적으로 연결된다. 이러한 전자적인 결합을 통해, 제어 전자 조립체(21)는 전지 서브 모듈(40)을 제어하기 위한 제어 신호를 전송한다. 이 신호에 응답하여 전지 서브 모듈(40)로부터 제공된 전류가 상기한 전기적 연결을 통해 전송된다. 바람직하게, 제어 신호는 전자 컴포넌트 캐리어(20) 및 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30) 또는 전지 서브 모듈(40) 사이의 전류 또는 전압을 기초로 변조된다.
전자 컴포넌트 캐리어(20)의 바닥 플레이트의 하부 표면에는 냉매가 흐를 수 있는 냉각 채널이 제공된다. 전자 컴포넌트 캐리어(20)는 전지 시스템(100)으로부터 개별적으로 분리될 수 있는 바, 이로 인해 제어 전자 조립체의 교체 및 수리가 간단해진다.
도 2를 참조하면, 전지 시스템(100)으로부터 개별적으로 분리되는 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)가 도시된다. 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)는 캐리어 프레임(10)에 고정되기 위하여, 캐리어 프레임(10)의 종 방향 세트먼트(16)의 연결 부재(예: 나사 홀)에 대응하여 부착되도록 구성된 연결 부재(미도시)를 포함한다. 더욱이, 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)는 전지 시스템(100)에 있어, 상호간 또는 착탈식 전자 컴포넌트 캐리어(20)와의 전기적 및 전자적 연결을 위한 연결 부재(미도시)를 포함한다. 예를 들어, 전기적 연결은 고전압용(HV) 배선 하네스 또는 버스바에 의해 이루어질 수 있고, 전자적 연결은 저전압용(LV) 배선 하네스를 통해 이루어질 수 있으나, 이들 연결 유형은 이로써 한정되지 않는다.
착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)는 바닥 플레이트(32)와, 바닥 플레이트(32)의 종 방향 가장자리에 위치되며 바닥 플레이트(32)로부터 상향 연장되는 한 쌍의 측벽(31)을 포함한다. 바람직한 일 실시예에서, 바닥 플레이트(32)와 측벽(31)은 단일 부재로서 형성될 수 있다. 바닥 플레이트(32) 및 측벽(31)은 압출된 알루미늄 프로파일, 강화 플라스틱 압출 프로파일 또는 바닥 플레이트와 측벽을 포함한 압연 및 용접된 스틸 캐리어로 이루어질 수 있다.
바닥 플레이트(32) 및 측벽(31)은 전지가 배치된 방향과 독립된 냉각 채널을 포함할 수 있다. 여기서 냉각 채널은 전지 셀에서 발생된 열을 방출하도록 한다. 도 3은 바닥 플레이트(32)에 형성된 3개의 냉각 채널(321)을 도시한다. 캐리어 프레임(10)의 횡 방향 세그먼트(17) 위에 배치된 외부 냉매 포트에 연결되고, 복수의 연결 부품(piece)을 포함한 냉매 분배 라인이 형성될 수 있다. 여기서 각 연결 부품은, 각 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)의 각각의 냉매 포트(미도시)를 통해 바닥 플레이트(32)에 있는 냉각 채널(321)의 하나에 냉매 분배 라인이 연결될 수 있도록 한다. 냉매는 외부 냉매 회로(미도시)에 의해 캐리어 프레임(10)의 외부 냉매 포트로 제공된다. 냉매 분배 라인을 통해 냉매는, 착탈식 전자 컴포넌트 캐리어(20)와 복수의 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)의 냉매 포트에 제공되고, 대향하는 횡 방향 세그먼트(17)를 향하여 각각의 바닥 플레이트(32)에 형성된 각 냉각 채널(321)을 통해 흐르며, 다른 냉매 분배 라인을 따라 외부 냉매 포트 중 다른 하나로 다시 흐른다.
도 2를 참조하면, 전지 서브 모듈(40)의 바람직한 일 실시예에 따르면, 실질적으로 평면 형상을 갖는 복수의 정렬된 이차 전지 셀(1)을 포함한다. 전지 셀(1)은 최외곽 전지 셀(1)의 전면에 제공된 한 쌍의 엔드 플레이트(33)로 전지 스택에 조립된 후 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)에 장착된다. 대안적으로, 엔드 플레이트(33) 하나는 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)의 측벽(31) 및/또는 바닥 플레이트(32)에 먼저 고정된 후에 전지 셀 스택을 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)에 장착할 수 있다. 마지막으로, 제2 엔드 플레이트(33)는 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)의 다른 부재에 고정된다. 전지 셀 스택은 전지 셀 스택의 하나 또는 2개의 전면에 제공될 수 있는 엔드 플레이트(33)와 함께 종 방향으로 미리 조립될 수 있다. 미리 조립할 경우 탄성 부재, 스프링 또는 나사 등에 의해 고정될 수 있다.
엔드 플레이트(33)는 전지 컴포넌트 캐리어(30)의 측벽(31)에 기계적으로 결합된다. 엔드 플레이트(33)와 바닥 플레이트(32) 및 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)의 측벽(31) 사이를 접합하는 기술은 통상의 용접 공정을 사용할 수 있다. 예를 들어, 마찰 교반 용접 또는 텅스텐 불활성 가스 용접, 클린칭, 조임, 리벳팅, 및 쐐기를 부착하거나 접착할 수 있다. 복수의 전지 셀(1)은 측벽(31)에 의해 제1 방향(횡) 및 엔드 플레이트(33)에 의해 제2 방향(종)으로 함께 고정된다.
엔드 플레이트(33)는 압출 알루미늄 가공되거나, 부분적으로 알루미늄 또는 강철로 딥 드로잉 되거나, 알루미늄으로 주조 되거나 또는 강화된 플라스틱으로 적용한 압출 또는 주조되어 만들 수 있다.
엔드 플레이트(33)는 전지 서브 모듈(40)에 단단함 및 기계적 안정성을 제공한다. 엔드 플레이트(33)는 전지 셀(1)이 팽창하는 것을 막아 줄 수 있으며, 엔드 플레이트(33)는 셀 팽창력을 흡수하여 전지 컴포넌트 캐리어(30)로 안내한다. 전지 셀(1)의 팽창은 셀 에이징 과정에서 발생한다.
도 2의 바람직한 일 실시예에 따르면, 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)는 2개의 전지 서브 모듈(40)을 수용한다. 이 경우, 2개의 셀 스택 사이의 중심부에 위치한 2개의 엔드 플레이트(33)는 일체형으로 형성될 수 있다. 일체형 중앙 엔드 플레이트는 압출 알루미늄 가공되거나, 부분적으로 알루미늄으로 주조 되거나 또는 강화된 플라스틱으로 적용한 압출 또는 주조되어 만들 수 있다. 일체형 중앙 엔드 플레이트는 각 셀 스택 내부에서 큰 셀이 팽창하는 것을 방지하도록 도움을 주며, 셀이 확장하는 것을 셀 스택의 외곽으로 우회시킨다.
전지 셀(1)은 전지 셀 스택의 상부에 위치한 셀 커버(34)에 의해 제3 방향(수직)으로 더욱 조여진다. 셀 커버(34)는 전지 컴포넌트 캐리어(30)의 측벽(31)에 고정된다. 예를 들어, 셀 커버(34)는 전지 셀(1)과 측벽(31) 사이에 클램핑(clamping)될 수 있으며, 예컨대 셀 커버(34)는 한 쌍의 클램프(341)를 포함할 수 있으며, 클램프(341)는 셀 커버(34) 측면부에 위치하여 하방 연장되어, 전지 셀(1)과 측벽(31) 사이로 삽입될 수 있다. 셀 커버(34)는 예컨대 도 3에 도시된 바와 같이 나사(342)에 의해 측벽(31)에 고정되거나 전지 컴포넌트 캐리어(30)의 측벽(31)에 다른 방식으로 더욱 끼워 질 수 있다. 셀 커버(34)는 전지 셀을 제 위치에 유지함은 물론 터치 보호 기능을 갖는다.
셀 연결 및 감지 유닛(CCU)(35)은 전지 커넥터, 센서 및 전자 기기를 포함하고, 셀 커버(34)와 전지 서브 모듈(40) 사이에 제공될 수 있다. 셀 연결 및 감지 유닛(CCU)(35)은 전지 셀(1)의 단자와 결속되는 연결 단자 및 회로 기판의 상면에 형성된 적어도 하나 이상의 반도체 소자를 갖는 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함한다. 회로 기판은 회로 기판의 표면 위에 형성된 배선 패턴(미도시)을 더욱 포함한다. 회로 기판의 본체는 폴리이미드(PI) 또는 폴리에틸렌(PET)과 같은 단단한 전기적 절연 물질로 만들 수 있다. 배선 패턴은 구리(Cu), 티타늄(Ti), 니켈(Ni) 또는 팔라듐(Pd)과 같은 전기적 도전성 물질로 만들 수 있다.
반도체 장치는 전지 셀(1)의 동작을 제어하기 위한 신호를 인가하도록 구성된다. 특히, 반도체 소자는 전지 셀(1)의 고전류 라인을 통해 충전과 방전을 제어할 수 있다. 반도체 소자는 전지 셀(1)의 전압, 전류 및 충전 상태(SOC)를 나타내는 신호를 인가하여 과충전 또는 과방전 등을 더욱 방지할 수 있다.
셀 연결 및 감지 유닛(CCU)(35)은 셀 확장 및 셀 거리에 대응하여 균형을 맞추기 위해 가요성 고전압용 및 저전압용 연결 부품을 포함한다. 셀 연결 및 감지 유닛(CCU)(35)은 버스바를 통해 셀과 셀의 플러스 및 마이너스 단자를 상호 연결하기 위한 주 전원 경로, 전압 감지와 셀 밸런싱 및 이들의 상호 연결하기 위한 전압 감지 라인, 셀의 온도 감시 및 이들의 상호 연결하기 위한 온도 센서 및 모든 구성 요소들을 고정하는 경량의 플렉서블 캐리어를 포함한다. 이러한 셀 연결 및 감지 유닛(CCU)(35)은 용이하고 자동의 핸들링을 제공하고, 셀 브레싱(breathing) 및 셀 스웰링(swelling)이 일어나는 경우, 상대 움직임을 보상할 수 있다. 선택적으로, 셀 연결 및 감지 유닛(CCU)(35)은 셀 감시 회로(CSC-PCB)에 대한 장착 가능성을 가질 수 있다.
전지 서브 모듈(40)은 고정 부재에 의해 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)에 기계적으로 고정되며, 전지 컴포넌트 캐리어(30) 내의 수용 공간에 단단히 둘러 싸여진다. 전지 서브 모듈(40)은 수직으로 더욱 고정되기 위해 바닥 플레이트(32) 또는 측벽(31)에 추가적으로 접착될 수 있다.
착탈식 전지 컴포넌트 캐리어(30)는 전지 셀(1), 엔드 플레이트(33), 셀 커버(34) 및 추가 부가 부품을 포함하여 전지 시스템(100)의 캐리어 프레임(10)에 장착될 수 있으므로, 전지 시스템(100)이 자동차 내부에 장착되는 경우라도 분리 가능하다.
1: 이차 전지 셀 32: 바닥 플레이트
10: 캐리어 프레임 321: 냉각 채널
16: 종 방향 세그먼트 33: 엔드 플레이트
17: 횡 방향 세그먼트 34: 셀 커버
18: 중앙 세그먼트 341: 셀 커버 클램프
20: 착탈식 전자 컴포넌트 캐리어 342: 나사
21: 제어 전자 조립체 35: 셀 연결 및 감지 유닛(CCU)
22: 신호 및 전원 포트 40: 전지 서브 모듈
30: 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어 100: 전지 시스템
31: 측벽

Claims (26)

  1. 캐리어 프레임; 및
    상기 캐리어 프레임에 수용되는 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어
    를 포함하고,
    상기 캐리어 프레임은,
    복수의 종 방향 세그먼트;
    상기 복수의 종 방향 세그먼트에 평행하게 배치되는 중앙 세그먼트; 및
    상기 복수의 종 방향 세그먼트에 수직하게 배치되며 상기 복수의 종 방향 세그먼트 및 상기 중앙 세그먼트에 연결되는 복수의 횡 방향 세그먼트
    를 포함하고,
    상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어는 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 서브 모듈을 수용하고, 다른 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어 및/또는 상기 캐리어 프레임에 기계적 및 전기적으로 연결되며,
    상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어는,
    바닥 플레이트;
    상기 바닥 플레이트에 수직하며 상기 바닥 플레이트의 2개 대향 종 방향 모서리를 따라 연장되는 한 쌍의 측벽;
    상기 바닥 플레이트 및 상기 측벽에 수직하며 상기 바닥 플레이트의 2개 대향 횡 방향 모서리를 따라 연장되며, 상기 한 쌍의 측벽 및/또는 상기 바닥 플레이트에 기계적으로 연결되어 상기 복수의 전지 셀을 함께 고정하는 한 쌍의 엔드 플레이트; 및
    상기 바닥 플레이트와 평행하게 연장되며, 상기 바닥 플레이트, 상기 측벽 및 상기 엔드 플레이트와 함께 상기 전지 서브 모듈의 수용 공간을 형성하는 셀 커버
    를 포함하는 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 상기 측벽에 고정되는 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 커버는 상기 전지 셀과 상기 측벽 사이에 클램핑되는 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 나사에 의해 상기 측벽에 고정되는 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버는 플라스틱 재질로 만들어진 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 셀 커버와 상기 전지 서브 모듈 사이에 위치한 셀 연결 및 감지 유닛을 더욱 포함하는 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 바닥 플레이트 및 상기 측벽은 압출 알루미늄 프로파일, 강화 플라스틱 압출 프로파일 또는 압연 및 용접된 스틸 캐리어로 이루어진 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트는 압출 알루미늄 가공되거나, 부분적으로 알루미늄 또는 강철로 딥 드로잉 되거나, 알루미늄으로 주조 되거나 또는 강화된 플라스틱으로 적용한 압출 또는 주조되어 만들어진 전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 바닥 플레이트 및/또는 상기 측벽은 상기 전지 셀로부터 열을 방출하기 위한 냉각 채널을 포함하는 전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어는 상기 캐리어 프레임에 복수로 수용되고,
    각 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어는 상기 캐리어 프레임으로부터 개별적으로 착탈이 가능한 전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    제어 전자 조립체를 수용하고 신호 포트 및 전력 포트를 포함하는 착탈식 전자 컴포넌트 캐리어를 더욱 포함하는 전지 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 바닥 플레이트 및/또는 상기 측벽은 상기 전지 셀로부터 열을 방출하기 위한 냉각 채널을 포함하고,
    상기 캐리어 프레임은 상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어의 상기 냉각 채널에 연결되도록 구성된 냉매 포트를 포함하는 전지 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 종 방향 세그멘트는 2개의 종 방향 세그먼트를 포함하고, 상기 복수의 횡 방향 세크먼트는 상기 2개의 종 방향 세그먼트에 수직이고 상기 2개의 종 방향 세그먼트에 연결된 2개의 횡 방향 세그먼트를 포함하고,
    상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어는 상기 종 방향 세그먼트 또는 상기 횡 방향 세그먼트에 부착되도록 구성된 연결 부재를 포함하는 전지 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어는 복수의 볼트를 통해 기계적으로 서로 연결되고,
    상기 착탈식 전자 컴포넌트 캐리어와 상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어를 전기적으로 연결하고 상기 착탈식 전지 컴포넌트 캐리어를 서로 전기적으로 연결하는 하나 이상의 버스바를 더욱 포함하는 전지 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 전지 시스템을 포함하는 자동차.
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