KR20090043566A - 모듈 방식의 배터리 유닛 - Google Patents

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KR20090043566A
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cooling medium
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귄터 마이어
마르틴 미헬릿취
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마그나 스티어 파르초이크테시닉 아게 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 두 개 이상의 배터리 셀(1-6), 그리고 상기 배터리 셀(1-6) 사이에 배치되어 있고 상기 배터리 셀 측면에 밀착하는 히트 싱크(8), 및 상기 히트 싱크 상에 배치될 수 있는 두 개의 커버링 캡(11, 12)을 구비한 모듈 방식 배터리 유닛에 관한 것으로서, 상기 히트 싱크를 냉각 매체가 관류하고, 상기 히트 싱크는 한편으로는 배터리 셀 내에서 발생하는 열을 적절하게 소산하고, 다른 한편으로는 배터리 셀을 지지하며, 이 경우 상기 두 개 커버링 캡 중에 제 1 커버링 캡(11)은 히트 싱크의 제 1 단부면을 폐쇄하기 위해서 제공되었고, 상기 두 개 커버링 캡 중에 제 2 커버링 캡(12)은 히트 싱크의 제 2 단부면을 폐쇄하기 위해서 제공되었으며, 냉각 매체를 위한 유입구 및 배출구가 제공되었으며, 이 경우 냉각 매체의 유입구(16) 및/또는 배출구(17)는 제 1 커버링 캡(11)에 배치되거나 또는 제 2 커버링 캡(12)에 배치되어 있다.
Figure P1020097005456
모듈 방식의 배터리 유닛

Description

모듈 방식의 배터리 유닛 {MODULAR BATTERY UNIT}
본 발명은 두 개 이상의 배터리 셀 그리고 적합한 히트 싱크를 구비한 모듈 방식 배터리 유닛, 다수의 모듈 방식 배터리 유닛으로부터 형성된 배터리 시스템, 그리고 배터리 시스템을 특히 차량의 설치 공간에 적응하기 위한 방법에 관한 것이다.
상기와 같은 배터리 유닛의 한 실시예는 EP 0917230 B1호에 공지되어 있으며, 이 경우의 라운드 셀(round cell)은 적합한 온도 조절 장치에 의해서 둘러싸인다.
EP 1508182 B1호에는 다수의 메모리 셀을 구비한 배터리의 대안적인 실시예가 공지되어 있다.
본 발명의 과제는 단순한 구성 방식으로 구성되고, 특히 자동차의 기존 설치 공간에 최상으로 적응할 수 있으며, 최대한 효율적인 냉각을 특징으로 하는 청구항 1의 전제부에 따른 모듈 방식의 배터리 유닛을 개발하는 것이다.
본 발명에 따른 배터리 유닛은 가급적 간단하고 경제적인 방식으로 셀의 배열 상태를 변경할 수 있도록 제조되어야만 하고, 모든 셀에 대하여 가급적 균일한 온도 분포를 보증해주도록 형성되어야만 한다. 상기 과제는 본 발명의 청구항 1에 따른 배터리 유닛에 의해서 해결된다.
본 발명에 따른 장치의 한 실시예에서는 두 개 이상의 배터리 셀, 그리고 상기 배터리 셀 사이에 배치되어 있고 상기 배터리 셀 측면에 밀착하는 히트 싱크를 구비한 모듈 방식 배터리 유닛이 제공되었으며, 상기 히트 싱크를 냉각 매체가 관류하고, 상기 히트 싱크는 한편으로는 배터리 셀 내에서 발생하는 열을 적절하게 소산하고, 다른 한편으로는 배터리 셀을 지지한다. 또한, 상기 히트 싱크 상에 배치될 수 있는 두 개의 커버링 캡이 존재하며, 이 경우 상기 두 개 커버링 캡 중에 제 1 커버링 캡은 히트 싱크의 제 1 단부면을 폐쇄하기 위해서 제공되었고, 상기 두 개 커버링 캡 중에 제 2 커버링 캡은 히트 싱크의 제 2 단부면을 폐쇄하기 위해서 제공되었으며, 냉각 매체를 위한 유입구 및 배출구가 추가로 제공되었으며, 이 경우 냉각 매체의 유입구 및/또는 배출구는 제 1 커버링 캡에 배치되거나 또는 제 2 커버링 캡에 배치되어 있다.
본 발명에 따른 장치의 한 바람직한 실시예에 따르면 커버링 캡은 커버링 플레이트로서 구현되었다. 더 나아가서는, 히트 싱크의 냉각 채널이 적합하게 폐쇄될 수만 있다면 커버링 캡을 추가의 임의의 형상들로 형성할 수도 있다.
본 발명에 따른 장치의 한 바람직한 실시예에 따르면, 히트 싱크의 세로 방향은 히트 싱크의 최대 연장 방향으로서 규정되었다. 본 발명에 따른 장치의 한 특이한 실시예에 따르면, 히트 싱크의 채널들도 마찬가지로 세로 방향으로 정렬되었다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 냉각 매체의 유입구는 제 1 커버링 캡에 배치되어 있고, 냉각 매체의 배출구는 제 2 커버링 캡에 배치되어 있다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 바람직한 실시예에 따르면, 냉각 매체의 유입구뿐만 아니라 배출구도 제 1 커버링 캡에 배치되어 있다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 히트 싱크는 자신의 세로 방향으로 제 1 커버링 캡과 제 2 커버링 캡 사이에서 뻗는 분리된 채널들을 구비하며, 이 경우 냉각 매체는 이웃하는 채널들을 반대 방향으로 관류한다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 히트 싱크는 자신의 세로 방향으로 제 1 커버링 캡과 제 2 커버링 캡 사이에서 뻗는 분리된 채널들을 구비하며, 이 경우 냉각 매체는 이웃하는 채널들을 동일한 방향으로 흐른다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 히트 싱크는 자신의 세로 방향으로 제 1 커버링 캡과 제 2 커버링 캡 사이에서 뻗는 분리된 채널들을 구비하며, 이 경우 냉각 매체는 히트 싱크의 제 1 영역에서는 이웃하는 채널들 내에서 제 1 방향으로 흐르고, 히트 싱크의 제 2 영역에서는 이웃하는 채널들 내에서 상기 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 흐른다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 히트 싱크의 세로 방향으로 다수의 배터리 셀이 연속으로 배치되어 있다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 두 개의 커버링 캡 중에 적어도 하나의 커버링 캡, 바람직하게는 두 개의 커버링 캡 모두가 다이캐스팅 부품으로서 형성되어 히트 싱크 상에 적합하게 고정되며, 특히 히트 싱크와 용접된다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 히트 싱크는 압출 성형 부품이며, 이 경우 채널들의 내부는 압출 성형 섹션의 상응하는 벽에 의해서 형성된다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 두 개의 이웃하는 채널들 사이의 결합은 벽이 히트 싱크의 두 개의 단부면으로부터 시작하여 교대로 소멸(die away)됨으로써 이루어졌다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 히트 싱크의 두 개의 이웃하는 채널들 사이를 결합하기 위하여 압출 성형 섹션의 특히 파이프 모양의 벽들은 히트 싱크의 세로 방향으로 소멸된다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 배터리 셀을 수용하기 위한 히트 싱크는 등을 맞댄 상태에서 그리고 측면을 맞댄 상태에서 원호 모양의 리세스를 가지며, 이 경우 매 네 번째 리세스들 사이에는 파이프를 형성하는 제 1 성형부가 제공되어 있고, 상기 제 1 성형부로부터는 별 모양의 중간 벽이 시작된다.
본 발명에 따른 장치의 한 특이한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 배터리 셀이 히트 싱크 상에 압착 및/또는 접착되었다. 그럼으로써, 배터리 셀과 히트 싱크 사이에서 우수한 열 전달이 보증될 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 커버링 캡들이 파이프를 형성하는 성형부와 합동을 이루어(congruent) 홀을 각각 하나씩 구비함으로써, 두 개의 커버링 캡은 제 1 인장 부재에 의해 상호 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 히트 싱크를 형성하는 압출 성형 섹션은 셀을 수용하기 위하여 등을 맞댄 상태에서 그리고 측면을 맞댄 상태에서 원호 모양의 리세스를 가지며, 이 경우 등을 맞대고 배치된 두 개의 최상부 및 최하부 리세스와 상기 압출 성형 섹션의 한 가로 부품 사이에는 파이프를 형성하는 제 2 성형부가 제공되어 있고, 상기 제 2 성형부는 세 개의 중간 벽을 형성한다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 파이프를 형성하는 상기 제 2 성형부는 한편으로는 냉각제의 유입구에 유동 결합되었거나 또는 냉각제의 배출구에 유동 결합되었다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 배터리 셀 그리고 히트 싱크를 둘러싸는 외부 울타리가 제공되었다. 이 외부 울타리는 히트 싱크로부터 떨어져 마주한 외측면에서 배터리 셀을 감싸는 외부 인장 부재에 의해 형성되었다. 한 특이한 실시예에 따르면, 외부 인장 부재들과 히트 싱크에 인접하지 않는 셀 부품들 사이에 형성된 공간은 삼각형 세로 섹션에 의해서 완전히 채워져 있다.
본 발명에 따른 장치의 추가의 한 실시예에 따르면, 상기 삼각형 세로 섹션은 중공형으로 형성되었다.
본 발명은 추가의 한 실시예에 따라 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 모듈 방식 배터리 유닛을 구비한 배터리 시스템을 특징으로 하며, 이 경우 모듈 방식의 배터리 유닛들은 하나의 하우징 안에 이웃하여 배치되어 있고, 유입구 및 배출구는 각각 상호 결합되어 있다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 추가의 한 실시예에 따르면, 각각의 히트 싱크는 자신의 세로 방향을 따라 정렬된 수직의 중앙 평면을 가지며, 이 경우 배터리 유닛들은 측면에서 히트 싱크의 수직 중앙 평면에 대하여 법선 방향으로 연속으로 배치되어 있다.
추가의 한 실시예에 따르면, 본 발명은 특히 차량의 설치 공간에 배터리 시스템을 적응시키기 위한 방법을 특징으로 하며, 이 경우 배터리 시스템은 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 모듈 방식 배터리 유닛으로부터 형성되고, 상기 모듈 방식 배터리 유닛의 히트 싱크는 사전에 결정된 폭 및 높이 그리고 가변적인 길이를 가지며, 이때 히트 싱크의 길이는 설치 공간 안에서 이용할 수 있는 설치 공간 길이에 상응하게 선택된다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 한 실시예에 따르면, 모듈 방식 배터리 유닛의 히트 싱크는 하나의 압출 성형 섹션으로부터 선택된 길이로 절단된다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 배터리 유닛의 히트 싱크는 압출 성형에 의해서 제조된다.
본 발명의 한 특이한 실시예에 따르면, 히트 싱크 또는 캐리어 플레이트는 경금속으로 이루어진 압출 성형 부품으로서 실현되며, 이 경우 압출 성형 부품의 섹션은 중간 벽에 의해서 분리된, 압출 성형 부품의 세로 방향으로 뻗는 채널들을 내부에 구비하고, 이때 유체는 이웃하는 채널 안에서 반대 방향으로 흐르며, 본 실시예에서 캐리어 플레이트를 형성하는 압출 성형 부품의 두 개의 단부면은 각각 하나의 커버링 플레이트에 의해서 폐쇄되어 있다.
본 발명의 한 특이한 실시예에 따르면, 압출 성형에 의해서 섹션을 제조하는 공지된 제조 방법은 리세스의 표면에 대하여 전반적으로 일정한 벽 두께를 갖는 다수의 평행한 냉각 채널 그리고 특히 반대의 관류 방향을 갖는 다수의 이웃하는 냉각 채널을 형성할 목적으로 이용된다. 그럼으로써, 각각의 방향으로 더욱 균일한 온도 분포가 성취된다. 압출 성형 섹션의 양면이 개방된 냉각 채널들을 폐쇄하는 단부 플레이트 또는 커버링 캡이 냉각 유체를 위한 연결부를 형성함으로써, 압출 성형 섹션 자체는 최소 가공 상태로 사용된다.
그 밖에 압출 성형 섹션이 임의의 길이로 절단될 수 있기 때문에, 상기와 같은 적용례에서 압출 성형 섹션은 하나의 리세스 안에 다양한 개수의 셀이 연속으로 배치될 수 있다는 장점을 제공해준다. 이와 같은 장점으로 인해 배터리의 설치 치수는 이용하려는 설치 공간에 적응될 수 있다. 이와 같은 적응 가능성에 의해서는, 캐리어 플레이트를 형성하는 압출 성형 섹션의 양쪽 단부면을 상기 압출 성형 섹션에 상응하는 통일된 커버링 플레이트를 이용하여 폐쇄하는 것도 가능해진다.
본 발명의 한 특이한 실시예에 따르면, 채널들 사이의 결합은 커버링 플레이트 내에서 이루어지는 밀링 공정에 의해서 이루어진다. 하지만, 한 바람직한 실시예에서는 중간 벽들이 각각의 단부면으로부터 시작하여 소멸됨으로써 채널들 사이에 결합이 이루어지며, 그 결과 커버링 플레이트는 상기와 같은 결합을 만들기 위해서 특별하게 가공될 필요가 없으며, 동일한 방식의 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 소멸 방식 대신에 유입구 또는 배출구를 갖는 파이프 모양의 벽 부분들이 세로 방향으로 후퇴될 수도 있다.
본 발명의 한 특이한 실시예에 따르면, 캐리어 플레이트를 형성하는 압출 성형 섹션의 외부 윤곽이 2열 이상의 평행한 열로 셀들을 수용하기 위한 원호 모양의 리세스를 형성함으로써, 셀들을 위한 리세스들은 한 쌍씩 등을 맞대고 있고, 각각의 리세스 쌍들은 측면을 맞대고 있다. 한 바람직한 실시예에서 매 네 번째 리세스들 사이에는 파이프를 형성하는 제 1 성형부가 제공되어 있으며, 상기 제 1 성형부로부터는 별 모양의 중간 벽이 시작된다. 캐리어 플레이트의 폭이 가장 큰 장소에 상기 성형부들이 제공됨으로써 관류되지 않는 구역이 만들어지고, 상기 관류되지 않는 구역 둘레에는 횡단면이 거의 동일하고 냉각 매체의 유동을 위한 채널들이 만들어진다. 그럼으로써, 열 전달을 위해 중요한 유동 속도는 전반적으로 변동 없이 유지된다. 개선예에서 커버링 플레이트는 파이프를 형성하는 각각의 성형부와 합동을 이루는 홀을 각각 하나씩 구비하며, 상기 홀에 의하여 두 개의 커버링 플레이트는 중간 영역에서도 제 1 인장 부재에 의해 함께 고정된다. 바람직한 인장 부재는 커버링 플레이트를 캐리어 플레이트에 밀착시키는 나사 볼트이다.
추가의 한 바람직한 실시예에서도 유사한 방식으로, 1열의 리세스들 중에서 등을 맞대고 배치된 두 개의 최상부 및 최하부 리세스들과 압출 성형 섹션의 한 가로 부품 사이에는 파이프를 형성하는 제 2 성형부가 각각 하나씩 제공될 수 있으며, 상기 제 2 성형부 자체가 중간 벽을 형성한다. 상기 성형부는 한편으로는 유체-냉각 순환계에 연결되어 있다. 상기 성형부의 다른 단부는 유체 밀봉 방식으로 폐쇄되어 있다. 이 목적을 위하여 커버링 플레이트는 냉각 순환계에 연결되는 연결부 측에 개구를 가지며, 상기 개구를 통해 유체가 유입 또는 배출된다.
추가의 한 바람직한 실시예에 따른 배터리 유닛의 개선예에서, 배터리 유닛의 외부 울타리는 캐리어 플레이트로부터 떨어져 마주한 측에서 셀들을 감싸는 외부 인장 부재에 의해 형성되며, 이 경우 상황에 따라 제 2 인장 부재들과 캐리어 플레이트에 인접하지 않는 셀 부품들 사이에 형성된 공간은 삼각형 세로 섹션에 의해서 완전히 채워져 있다. 따라서, 모든 셀들이 캐리어 플레이트의 리세스에 인접하게 된다. 추가의 한 바람직한 실시예에 따르면, 상기 셀들은 중공형의 삼각형 중공 섹션들이다. 상기 중공 섹션들이 마찬가지로 냉각 유체에 의해서 관류되면, 셀 둘레에서도 온도 분포가 개선된다.
본 발명은 발명을 제한하지 않는 예로 든 도면들을 참조하여 아래에서 기술 및 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리의 축측(axonometric) 사시도이며;
도 2는 도 1과 유사하지만, 커버가 없는 상태의 사시도이고;
도 3은 도 2의 A에 따른 정면도이며;
도 4는 도 2의 B에 따른 정면도이고;
도 5는 도 3 및 도 4의 V-V에 따른 종단면도이며;
도 6은 본 발명에 따른 배터리 유닛의 추가로 가능한 실시예를 도시한 개략도이고;
도 7은 도 6에 따른 히트 싱크의 종단면도이며;
도 8은 도 6에 따른 다수의 배터리 유닛으로 구성된 배터리 시스템의 개략도이고;
도 9는 배터리 유닛의 다양한 실시예이며;
도 10은 히트 싱크의 대안적인 한 실시 예이다.
도 1에서 평행한 2열로 배치된 셀들은 도면 부호 (1) 내지 (6)으로 표기되어 있으며, 셀(1 내지 3)은 제 1 열을 형성하고, 셀(4 내지 6)은 제 2 열을 형성한다. 상기 셀들은 임의의 구조적 형상 및 화학적인 기능을 갖는 고출력 셀일 수 있다. 상기 셀들은 원통형이고, 배터리의 전체 길이에 걸쳐 있거나 또는 도시된 실시예에서와 같이 연속으로 배치된 다섯 개의 개별 셀로 구성되어 있다. 전기 접속부 및 연결부에 대해서는 논의할 필요가 없는데, 그 이유는 상기 전기 접속부 및 연결부가 본 발명에서는 중요하지 않기 때문이다. 2열의 셀들 사이에서는, 이하에서 더 상세하게 기술되는 방식으로 냉각 매체에 의해 관류되는 히트 싱크(8) 또는 캐리어 플레이트가 전체 길이에 걸쳐 연장된다. 상기 히트 싱크 또는 캐리어 플레이트는 바람직하게 경금속으로 이루어지거나 또는 다른 적합한 재료로 이루어지는 압출 성형 섹션이다. 압출 성형 방식으로 히트 싱크를 제조함으로써, 양측이 개방되었고 횡단면이 복잡한 히트 싱크는 저렴한 제조 비용으로 제조될 수 있다. 이와 같은 방식으로 제조되었고 배터리 유닛의 길이에 맞추어 개별적으로 절단된 섹션의 양쪽 단부면(9, 10)은 커버 또는 커버링 캡(11 또는 12)에 의해서 폐쇄되어 있다(도 5 참조). 커버링 캡(11, 12)은 셀(1 내지 6)을 특히 세로 방향으로 지지 및/또는 고정할 수 있도록 형성될 수도 있다.
두 개의 커버링 캡(11, 12)은 제 1 인장 부재(13)(예컨대 긴 쓰레디드 볼트(threaded bolt))에 의해서 결합되어 있다. 이 목적을 위하여 커버(11, 12)의 에지에는 보어(18)가 제공되고, 보어(19)는 캐리어 플레이트(8)의 중앙 영역에 제공되어 있다. 배터리의 모든 셀(1 내지 6)은 제 2 또는 외부 인장 부재(14)에 의해서, 본 경우에는 조임용 끈(tightening strap)에 의해서 히트 싱크(8)에 압착되어 결합된다. 제 2 또는 외부 인장 부재(14)와 캐리어 플레이트(8)로부터 떨어져 마주한 상기 셀(1 내지 6)의 외부 윤곽 사이에는 거의 삼각형의 중공 세로 섹션(15)이 각각 하나씩 형성되어 있다. 두 개의 측면이 오목한 실린더 면을 형성하기 때문에, 상기 실린더 면은 거의 매 두 번째 셀에 적용된다. 전방 커버링 캡(11) 내에는 또한 냉각 순환계에 연결하기 위한 보어(16, 17)가 제공되어 있으며, 하부 보어(16)는 유입을 위해서 이용되고, 상부 보어(17)는 배출을 위해서 이용된다.
도 2에는 전방 커버링 캡(11)이 생략된 동일한 배터리가 도시되어 있으며, 전방 커버링 캡이 생략됨으로써 관찰자에게는 압출 성형 섹션의 단부면(9) 및 상기 압출 성형 섹션의 횡단면이 보인다. 도 2는 확대되었으며, 본 도면에서는 도 3에 있는 셀들을 볼 수 없다.
도 3에는 압출 성형 섹션의 전방 단부면(9)이 그리고 도 4에는 후방 단부면(10)이 각각 단독으로 도시되어 있다. 전체적으로 도면 부호 (20)으로 표기된 압출 성형 섹션의 외벽은 셀(1 내지 6)을 위한 원호 모양의 리세스(21 내지 26)를 형성하며, 상기 리세스들은 한 쌍씩 등을 맞대고 그리고 나란히 배치되어 있다. 또한, 외벽(20)은 하부 가로 벽(28) 및 상부 가로 벽(29)을 형성한다. 리세스로부터 가로 벽(28, 29)으로 변환되는 영역에는 추가의 제 1 인장 부재를 위한 보어(18)가 형성되어 있다.
상기 외벽(20) 안에는 세로 방향으로 뻗는 소수의 채널(44-53)이 다양한 벽들에 의해서 형성되어 있다. 따라서, 하부 가로 벽(28)과 리세스(23, 26)를 형성하는 부분들 사이에서는, 세 개의 외부 벽 부분에 접촉하는 파이프 모양의 제 1 성형부(31)가 어느 정도 폐쇄된 원을 형성하게 된다. 상기와 같은 파이프 모양의 제 1 성형부는 상부 가로 벽(29)과 리세스(21, 24)를 형성하는 상기 외벽(20)의 부분들 사이에 배치되어 있다.
본 경우에 리세스(21, 22, 25 및 24)를 형성하는 벽 부분들 사이에서, 릿지(27)(ridge)의 높이에 있는 가장 넓은 장소에는 파이프 모양의 제 2 성형부(33)가 형성되어 있다. 상기 제 2 성형부로부터 시작되는 별 모양의 중간 벽(37, 38)은 리세스를 형성하는 외부 벽 부분까지 연장된다. 이와 동일한 방식으로, 리세스(22, 23, 25, 26) 사이에는 중간 벽(35, 36)을 갖는 파이프 모양의 제 2 성형부(32)가 형성되어 있다. 압출 성형 섹션의 가장 좁은 장소에는 분리 벽(39, 40, 41)이 존재한다.
상기 중간 벽(35-38) 및 분리 벽(39-41)은 상호 분리된 유동 채널을 형성하며, 한 실시예에 따르면 상기 유동 채널 안에서는 유동 방향이 이웃하는 유동 채널 들 사이에서 변경된다. 도 3에서는 유동 방향들이 통상적인 방식으로 지시되어 있다: 점이 있는 원은 관찰자의 눈 쪽으로 향하는 화살표를 의미하고, 십자(+) 표시가 있는 원은 관찰자로부터 멀어지는 방향의 화살표를 의미한다. 후방 단부면(10)을 보여주는 도 4에서는, 도 3의 채널들과 동일한 채널들을 위한 흐름 방향을 지시하는 심벌들이 반대의 의미를 갖는다.
상기와 같은 방식으로 다음의 채널들이 형성되었다: 후방 단부면(10) 쪽으로 관류되는 두 개의 대칭 제 1 채널(44); 전방 단부면(9) 쪽으로 관류되는 제 2 채널(45); 후방 단부면(10) 쪽으로 관류되는 제 3 채널(46); 전방 단부면(9) 쪽으로 관류되는 두 개의 대칭 제 4 채널(47); 후방 단부면(10) 쪽으로 관류되는 제 5 채널(48); 전방 단부면(9) 쪽으로 관류되는 제 6 채널(49); 후방 단부면(10) 쪽으로 관류되는 두 개의 대칭 제 7 채널(50); 전방 단부면(9) 쪽으로 관류되는 제 8 채널(51); 후방 단부면(10) 쪽으로 관류되는 제 9 채널(52); 그리고 전방 단부면(9) 쪽으로 관류되는 두 개의 대칭 제 10 채널(53).
단부면에서 유동 방향을 변경하기 위하여, 커버링 캡(11, 12)의 내측면에서는 상응하는 방향 전환 채널들이 밀링 공정에 의해서 만들어질 수도 있다. 그러나 본 발명에 따르면, 상기 방향 전환 채널들은 압출 성형 섹션(8)의 중간 벽 및 분리 벽이 단부면(9, 10)으로부터 시작하여 소멸됨으로써 만들어진다. 이와 같은 모든 소멸부의 형성이 두 개의 단부면(9, 10) 중 하나의 단부면으로부터 시작되기 때문에, 밀링 공정의 경우에는 제조 비용이 적게 투여된다.
도 3에서 전방 단부면(9)으로부터 형성되기 시작하는 소멸부에는 다음과 같 은 도면 부호가 제공되었다: (60)은 파이프 모양의 성형부(31) 내에서 제 1 채널(44)과 유입부(16)의 결합을 위하여; (63)은 분리 벽(39) 내에서 제 3 채널(46)과 제 2 채널(45)의 결합을 위하여; (65)는 중간 벽(35) 내에서 제 5 채널(48)과 두 개의 제 4 채널(47)의 결합을 위하여; (67)은 중간 벽(37) 내에서 두 개의 제 7 채널(50)과 제 6 채널(49)의 결합을 위하여; (69)는 분리 벽(41) 내에서 제 9 채널(52)과 제 8 채널(51)의 결합을 위하여; (72)는 배출구(17)와 두 개의 제 10 채널(53)의 결합을 위하여. 상기와 같은 소멸부(60, 62, 70, 71) 대신에 파이프 모양의 벽 부분(31, 34)이 세로 방향으로 후퇴될 수도 있다.
도 4는 후방 단부면(10)에서 형성되는 소멸부를 보여주고 있다: (61 및 62)는 제 2 채널(45)과 두 개의 제 1 채널(44)의 결합을 위하여; (64)는 중간 벽(35) 내에서 두 개의 제 4 채널(47)과 제 3 채널의 결합을 위하여; (66)은 분리 벽(40) 내에서 제 6 채널(49)과 제 5 채널(48)의 결합을 위하여; (68)은 중간 벽(38) 내에서 제 8 채널(51)과 제 7 채널(50)의 결합을 위하여; (70 및 71)은 파이프 모양의 성형부(34) 내에서 두 개의 제 10 채널(53)과 제 9 채널(52)의 결합을 위하여.
파이프 모양의 제 1 성형부(31, 34) 내에서 형성되는 소멸부에 의해서는, 도 5를 참조하여 설명될 특이한 내용이 나타난다.
도 5에서는, 냉각제의 유입구(16)와 연결되어 있는 파이프 모양의 제 1 성형부(31)가 전방 커버(11)의 근처에 그리고 후방 커버링 캡(12)의 근처에 스토퍼(75, 76)(stopper)를 각각 하나씩 구비하고 있다는 것을 알 수 있다. 상기 스토퍼(75, 76)는 한 측면에 있는 유입 챔버(78) 및 다른 측면에 있는 관통 챔버(79)를 두 개 의 스토퍼(75, 76) 사이에 있고 관류되지 않도록 폐쇄된 챔버(77)로부터 분리시킨다. 따라서, 유입구(16)를 통해 유입되는 냉각 유체는 상기 유입 챔버(78) 안으로 흘러들어가고, 상기 유입 챔버로부터 소멸부(60)(도 3 참조)에 의해서 두 개의 제 1 채널(44) 안으로 흘러들어가며, 이 경우 상기 두 개의 제 1 채널은 도 5에서는 투영면의 앞과 뒤에 존재하고, 도 3에서는 파이프 모양의 제 1 성형부의 양 측면에 존재한다. 제 1 채널(44)의 다른 단부에서는 냉각 매체가 소멸부(61)에 의해서 관통 챔버(79) 안으로 그리고 상기 관통 챔버로부터 소멸부(62)를 거쳐 제 2 채널(45) 안으로 유입된다. 그 다음에 전방 단부면(9)에서는 냉각 매체가 소멸부(63)에 의해서 제 3 채널(46) 안으로, 그리고 그와 같은 방식으로 계속적으로 유입된다.
파이프 모양의 제 1 성형부(34) 내에서 배출구(17) 쪽으로 이루어지는 유동은 상기 유동 방식과 유사하지만 단지 반대 방향으로만 진행된다.
이에 대해서는 한 가지 실시예가 존재한다. 이와 같은 실시예와 달리 본 발명의 틀 안에서는 셀들은 2열 이상의 열로 그리고/또는 상호 변위된 상태로 배치될 수도 있으며, 캐리어 플레이트는 그에 상응하게 다르게 형성될 수 있다. 이때에도 내부 벽의 배열 상태가 적합한 경우에는, 이웃하는 채널 내부에서의 유동 방향이 서로 반대가 될 수 있다. 그럼으로써, 가장 간단하고 저렴한 제조 방식에서는 캐리어 플레이트의 표면에서 균일한 온도 분포가 성취된다.
도 6은 본 발명에 따른 모듈 방식 배터리 유닛(80)의 추가로 가능한 실시예를 보여주고 있다. 본 실시예에서는 다수의 배터리 셀(81, 82, 83, 84)이 하나의 히트 싱크(85) 상에 배치되어 있다. 이때에는 배터리 셀들이 히트 싱크(85) 상에 접착 혹은 압착되거나 또는 다른 방식으로 히트 싱크와 접촉됨으로써, 작동 중에 배터리 셀에 의해 발생하는 열이 히트 싱크(85)로 전달될 수 있다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 다수의 배터리 셀(81, 82, 83)이 히트 싱크(85)의 세로 측면을 따라 연속으로 상기 히트 싱크 상에 배치될 수 있다. 이와 같은 배열 상태는 특히 히트 싱크가 예를 들어 압출 성형 섹션으로부터 형성되고, 히트 싱크의 길이가 이용 가능한 설치 공간에 적응될 수 있는 경우에 바람직하다. 따라서, 압출 성형 섹션은 필요한 길이로 절단될 수 있다. 다만, 표준 크기의 배터리 셀만을 이용할 수 있는 경우에는, 히트 싱크의 전체 길이 또는 이용 가능한 설치 공간을 최대한 이용하기 위하여 길이가 상대적으로 더 짧은 다수의 배터리 셀이 연속으로 배치된다.
도 7에는 중앙 평면을 따라 히트 싱크(85)를 절단한 수직 종단면이 도시되어 있다. 본 도면에서는 히트 싱크(85) 안에 형성된 채널(86, 87)을 볼 수 있다. 또한, 도 7의 개략도에서는 채널(86, 87) 내에 있는 상응하는 화살표(88, 89)에 의해 냉각 매체의 흐름 방향이 지시되어 있다. 본 도면에서는, 유입부(90a)를 통해 커버링 캡(91) 안으로 유입된 냉각 매체가 히트 싱크(85)의 채널(86, 87)을 거쳐 상기 히트 싱크(85)의 마주 놓인 측에서 제 2 커버링 캡(94)의 한정된 분배기 챔버(93) 안으로 유도되기 전에, 상부 제 1 영역에서 상기 매체는 커버링 캡(91) 안에 별도로 구획 지어진 분배기 챔버(92) 내부에 분포하고 있다는 사실을 알 수 있다. 그 다음에 냉각 매체는 상기 분배기 챔버(93)로부터 재차 마주 놓인 측으로, 제 1 커버링 캡(91)의 수집 챔버 혹은 분배기 챔버(94) 안으로 유도된다. 냉각 매 체는 상기 수집 챔버(94)로부터 커버링 캡(91) 안에 또는 커버링 캡(91) 상에 배치된 배출구(90b)를 통해 배터리 유닛으로부터 외부로 배출된다. 따라서, 히트 싱크는 수직의 양분 섹션(bisection, dichotomy)을 갖게 되며, 이로써 상부 제 1 영역에서는 냉각 매체가 제 1 측으로부터 제 2 측으로 흐르게 되고, 하부 제 2 영역에서는 냉각 매체가 제 2 측으로부터 제 1 측으로 역류하게 된다.
도 8에서는 다수의 모듈 방식 배터리 유닛(95, 96, 97)이 하나의 배터리 시스템으로 통합되었다. 이와 같은 통합의 목적으로 유입구 및 배출구는 적합한 분배기 스트립(98, 99), 바람직하게는 통합된 밀봉부, 예를 들어 O자형 링을 갖는 스트립에 의해서 상호 연결되어 있다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 상부 분배기 스트립(98)은 유입구를 연결하기 위하여 제공되었고, 하부 분배기 스트립(99)은 배출구를 연결하기 위하여 제공되었다. 다른 실시예에서는 유입구 및 배출구의 위치들이 당연히 바뀔 수 있다. 바람직하게는, 각각의 배터리 유닛이 미리 분배기 스트립(98, 99)의 부분들을 갖고 있기 때문에, 도 6에 개략적으로 도시된 바와 같이 배터리 유닛의 커버링 캡(85)에는 제 1 및 제 2 분배기 스트립 부재(100, 101)가 설치되어 있으며, 이로 인해 분배기 스트립들은 실제로 배터리 유닛의 분배기 스트립 부재들이 함께 삽입됨으로써 형성될 수 있다.
모듈 방식 배터리 유닛의 본 발명에 따른 실시예의 특별한 장점은 이용 가능한 설치 공간에 간단히 적응될 수 있다는 것이다. 히트 싱크가 일반적으로 압출 성형 섹션으로 제조된 경우에는, 히트 싱크가 거의 임의의 길이로 절단되거나 또는 적용될 수 있다. 따라서, 설치 공간에 따라 도 9에 개략적으로 도시된 바와 같이 임의의 길이를 갖는 배터리 유닛(102, 103)이 제조될 수 있다. 가급적 히트 싱크의 전체 길이를 이용하기 위하여, 히트 싱크의 길이에 따라 적합한 배터리 셀들이 사용되거나 또는 다수의 배터리 셀이 연속으로 배치된다. 이 목적을 위하여 도 9에서 상부 영역에는 배터리 유닛의 제 1 실시예가 도시되어 있고, 이 실시예에서는 3열의 배터리가 연속으로 히트 싱크 상에 배치되어 있는 한편, 하부 영역에 도시된 제 2 실시예에서는 수직으로 배치된 4열의 배터리 셀이 연속으로 히트 싱크 상에 배치되어 있다. 도면을 통해 알 수 있는 바와 같이, 상기 두 가지 실시예는 자체 길이에 있어서 그리고 히트 싱크의 길이에 있어서 서로 상이하지만, 히트 싱크의 형상은 동일하게, 특히 단 하나의 압출 성형 섹션으로부터 제조되었다. 사용된 배터리 셀들도 상기 두 가지 실시예에서는 서로 상이하다.
본 발명의 추가의 한 바람직한 실시예에 따르면 배터리 셀들은 연속으로 배치되어 있으며, 경우에 따라 한편으로는 유입구에 연결되고, 다른 한편으로는 배출구에 연결된다. 이와 같은 방식에 의해서는 상응하는 크기의 출력을 갖는 대형 배터리 시스템이 실현될 수 있다.
히트 싱크(104)의 추가로 가능한 한 가지 실시예는 도 10에 개략적으로 도시되어 있다. 도 7과 유사하게 본 도면에도 마찬가지로 히트 싱크의 한 가지 가능한 실시예의 수직 종단면이 도시되어 있다. 유입구(105)가 제 1 커버링 캡(106) 안에 또는 제 1 커버링 캡(106) 상에 배치되어 있고, 배출구(107)가 마주 놓인 제 2 커버링 캡(108) 안에 또는 제 2 커버링 캡(108) 상에 배치되어 있다는 점에서 본 실시예는 다른 실시예들과 상이하다. 도 10에서 더 알 수 있는 바와 같이, 냉각 매 체는 대체로 평행한 채널(110) 안에서 동일한 방향으로 히트 싱크(104) 내부를 통과하게 되며, 냉각 매체의 흐름 방향은 화살표(109)에 의해서 지시된다. 한편으로는 냉각 매체를 유입구(105)로부터 개별 채널(110)로 분배하기 위하여 그리고 다른 한편으로는 마주 놓인 측에서 냉각 매체를 개별 채널(110)로부터 배출구(107) 쪽으로 수집하기 위하여, 커버링 캡(106, 108) 안에는 소위 분배기- 혹은 수집 챔버(111, 112)가 존재한다.

Claims (21)

  1. 모듈 방식의 배터리 유닛으로서,
    두 개 이상의 배터리 셀, 그리고 상기 배터리 셀 사이에 배치되어 있고 상기 배터리 셀 측면에 밀착하는 히트 싱크, 및 상기 히트 싱크 상에 배치될 수 있는 두 개의 커버링 캡을 구비하며,
    상기 히트 싱크를 냉각 매체가 관류하고, 상기 히트 싱크는 한편으로는 배터리 셀 내에서 발생하는 열을 적절하게 소산하고, 다른 한편으로는 배터리 셀을 지지하며,
    상기 두 개 커버링 캡 중에 제 1 커버링 캡은 히트 싱크의 제 1 단부면을 폐쇄하기 위해서 제공되고, 상기 두 개 커버링 캡 중에 제 2 커버링 캡은 히트 싱크의 제 2 단부면을 폐쇄하기 위해서 제공되며,
    냉각 매체를 위한 유입구 및 배출구가 제공되며, 냉각 매체의 유입구(16)는 제 1 및/또는 제 2 커버링 캡에 배치되고, 냉각 매체의 배출구(17)는 제 1 및/또는 2 커버링 캡에 배치되는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    냉각 매체의 유입구는 제 1 커버링 캡에 배치되고, 냉각 매체의 배출구는 제 2 커버링 캡에 배치되는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  3. 제 1 항에 있어서,
    냉각 매체의 배출구뿐만 아니라 유입구도 제 1 커버링 캡에 배치되는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 자신의 세로 방향으로 제 1 커버링 캡과 제 2 커버링 캡 사이에서 뻗는 별도의 채널을 구비하며, 이때 냉각 매체는 이웃하는 채널들을 반대 방향으로 관류하는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 자신의 세로 방향으로 제 1 커버링 캡과 제 2 커버링 캡 사이에서 뻗는 별도의 채널을 구비하며, 이때 냉각 매체는 이웃하는 채널들을 동일한 방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 자신의 세로 방향으로 제 1 커버링 캡과 제 2 커버링 캡 사이에서 뻗는 별도의 채널을 구비하고, 이때 히트 싱크는 분리된, 특히 수평으로 분리된 두 개의 영역을 가지며, 냉각 매체는 히트 싱크의 제 1 영역에서는 이웃하는 채널들 안에서 제 1 방향으로 흐르고, 제 2 영역에서는 이웃하는 채널들 안에서 상기 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    히트 싱크의 세로 방향으로 다수의 배터리 셀이 연속으로 배치되는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 커버링 캡, 바람직하게는 두 개의 커버링 캡 모두가 다이캐스팅 부품으로서 형성되어 히트 싱크 상에 적합하게 고정되고, 특히 히트 싱크와 용접되는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 압출 성형 섹션이고, 상기 채널들의 내부는 상기 압출 성형 섹션의 상응하는 벽에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  10. 제 9 항에 있어서,
    두 개의 이웃하는 채널들 사이의 결합은 벽이 히트 싱크의 두 개의 단부면으로부터 시작하여 교대로 소멸됨으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 히트 싱크의 두 개의 이웃하는 채널들 사이를 결합하기 위하여 상기 압출 성형 섹션의 특히 파이프 모양의 벽들이 히트 싱크의 세로 방향으로 후퇴하는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 배터리 셀을 수용하기 위하여 등을 맞댄 상태에서 그리고 측면을 맞대 상태에서 원호 모양의 리세스를 가지며, 매 네 번째 리세스들 사이에는 파이프를 형성하는 제 1 성형부가 제공되고, 상기 제 1 성형부로부터 별 모양의 중간 벽이 시작되는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 커버링 캡들이 파이프를 형성하는 성형부와 합동을 이루어(congruent) 홀을 각각 하나씩 구비함으로써, 두 개의 커버링 캡은 제 1 인장 부재에 의해 상호 결합되는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  14. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    히트 싱크를 형성하는 상기 압출 성형 섹션은 셀을 수용하기 위하여 등을 맞댄 상태에서 그리고 측면을 맞댄 상태에서 원호 모양의 리세스를 가지며, 등을 맞 대고 배치된 두 개의 최상부 및 최하부 리세스와 상기 압출 성형 섹션의 한 가로 부품 사이에는 파이프를 형성하는 제 2 성형부가 제공되고, 상기 제 2 성형부는 세 개의 중간 벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  15. 제 14 항에 있어서,
    파이프를 형성하는 상기 제 2 성형부는 한편으로는 냉각제의 유입구에 유동 결합되거나 또는 냉각제의 배출구에 유동 결합되는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    배터리 셀 그리고 히트 싱크를 둘러싸는 외부 울타리가 제공되고, 상기 외부 울타리는 히트 싱크로부터 떨어져 마주한 외측면에서 배터리 셀을 감싸는 외부 인장 부재에 의해 형성되며, 상기 외부 인장 부재들과 히트 싱크에 인접하지 않는 셀 부품들 사이에 형성된 공간은 삼각형 세로 섹션에 의해서 완전히 채워지는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 삼각형 세로 섹션은 중공형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 모듈 방식의 배터리 유닛.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 모듈 방식 배터리 유닛을 구비한 배터리 시스템에 있어서,
    상기 모듈 방식의 배터리 유닛들은 하나의 하우징 안에 적합하게 이웃하여 배치되며, 한편으로는 배터리 유닛의 유입구와 상호 결합하고, 다른 한편으로는 배터리 유닛의 배출구와 상호 결합하는 배터리 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    각각의 히트 싱크는 자신의 세로 방향을 따라 정렬된 수직의 중앙 평면을 가지며, 배터리 유닛들은 측면에서 상기 히트 싱크의 수직 중앙 평면에 대하여 법선 방향으로 연속으로 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  20. 배터리 시스템을 바람직하게 차량의 설치 공간에 적응시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 배터리 시스템을 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 모듈 방식 배터리 유닛으로부터 형성하고, 상기 모듈 방식 배터리 유닛의 히트 싱크는 사전에 결정된 폭 및 높이 그리고 가변적인 길이를 가지며, 상기 히트 싱크의 길이를 설치 공간 안에서 이용할 수 있는 설치 공간 길이에 상응하게 선택하는, 배터리 시스템을 차량의 설치 공간에 적응시키기 위한 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 모듈 방식 배터리 유닛의 히트 싱크를 하나의 압출 성형 섹션으로부터 선택된 길이로 절단하고 그리고/또는 적용하는 것을 특징으로 하는, 배터리 시스템을 차량의 설치 공간에 적응시키기 위한 방법.
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