KR20110089869A - 셀 홀더, 에너지 저장 셀, 셀 홀더 스택 및 멀티셀 에너지 저장소 - Google Patents

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네프차트 구에너
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콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Abstract

셀 홀더(1), 에너지 저장 셀, 셀 홀더 스택 및 멀티셀 에너지 저장소가 기술된다. 셀 홀더는 상기 셀 홀더가 한쪽 또는 양쪽 측면 상에 개방되고 전기적으로 절연 소재로 구성된 하우징의 형태로 구성되며 상기 셀 홀더가 냉매 채널(13)이 배열된 후면 벽(3)을 가진다. 복수의 셀 홀더들(1)이 복수의 셀들을 홀딩하는 셀 홀더 스택을 형성하도록 치열-및-그루브 연결들(7, 8)을 통해 조립될 수 있다. 여기에 연결된 셀은 이러한 셀 홀더(1)의 조력으로 잘 냉각된다. 또한, 셀에 대해 양호한 전기 절연 및 양호한 기계적 보호를 보장한다. 셀 홀더(1)는 특히 소프트팩의 형태로 리튬-이온 셀들을 홀딩하기에 적합하다.

Description

셀 홀더, 에너지 저장 셀, 셀 홀더 스택 및 멀티셀 에너지 저장소{CELL HOLDER, ENERGY STORAGE CELL, CELL HOLDER STACK AND MULTICELL ENERGY STORE}
본 발명은 하나의 에너지 저장 셀 또는 2 개의 에너지 저장 셀을 홀딩하고 수용하기 위한 에너지 셀에 관한 것이다. 이것은 또한 셀 홀더 , 셀 홀더 스택과 같은 것이 제공된 에너지 저장 셀 및 셀 홀더 스택과 같은 것이 제공된 멀티셀 에너지 저장소에 관한 것이다.
본 발명은 특히 리튬 이온 셀을 홀딩하고 수용하기 위한 셀 홀더에 관한 것이다. 하이브리드 및 전기 자동차을 위한 에너지 저장용 리튬 이온 셀는 다양한 구조로 존재한다. 하나의 구조는 전극들이 적층 알루미늄 호일로 패킹된 소위 "소프트 팩(soft pack)"이다. 이러한 셀들은 입방형 구조이고 콤팩트하게 스태킹될 수 있다.
이런 타입의 에너지 저장 셀들은 멀티셀 에너지 저장소 또는 멀티셀 배터리를 형성하도록 구성된다. 여기에서, 각 셀들은 기계적으로 연결되어 셀 스택을 형성하고 하우징(배터리 하우징)에 패킹된다. 특정 문제가 개별 셀들의 냉각에 의해 여기서 형성된다. 그러나, 셀들의 동시 냉각과 결합된, 하우징에서 패킹에 의해 셀 스택을 형성하도록 하는 셀들의 이러한 타입의 연결은 지금까지 아직 만족스럽게 해결되지 않았다.
본 발명은 이러한 몬제들에 해결책을 제공한다. 본 발명의 목적은 셀들의 효과적인 냉각과 결합되는, 셀들의 기계적인 연결 및 하우징에서 동일한 것의 콤팩트한 패킹을 허용하는 셀 홀더를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 하나의 에너지 저장 셀 또는 2 개의 에너지 저장 셀들, 특히 리튬 이온 셀들을 홀딩하고 수용하기 위한 셀 홀더로서, 상기 셀 홀더가 한쪽 또는 양쪽 측면 상에 개방되고 전기적으로 절연 소재로 구성된 하우징의 형태로 구성되며 그리고 상기 셀 홀더는 냉매 채널이 배열된 후면 벽을 가지며, 또한 상기 하우징 상에 배열되고 상기 냉매 채널에 연결된 냉매 공급 및 냉매 배출 채널부를 가지며,상기 하우징이 상기 셀의 집전 장치들(current collectors)에 대한 통로를 가지고 다른 셀 홀더의 부착을 위해 치설 및 그루브 연결장치들(7, 8)이 제공된 셀 홀더에 의해 본 발명에 따라 달성된다.
따라서 본 발명에 따른 해결책은 동시에 복수의 기능을 맡는 셀 홀더를 제공한다. 한편, 이것은 셀에 대해 하우징으로서 기계적 보호를 제공하며, 하우징이 셀을 둘러싸고 있기 때문이다. 다른 한편, 이것은 셀의 냉각을 보장하고, 적절한 냉각 장치들이 셀 홀더에 통합된다. 또한, 그것은 복수의 셀들이 기계적으로 연결되어 기계적으로 안정한 셀 스택을 형성하는 것을 허용하고, 이러한 연결은 계획된 치설(tongue) 및 그루브 연결 장치들에 의해 가능해진다. 마지막으로, 2 개의 단부들이 서로에 대해 맞대고 위치되어 적절한 단부 플레이트들에 의해 폐쇄된(closed off) 후에, 개별적인 셀 홀더들이 폐쇄된 에너지 저장소 또는 배터리 하우징의 형태로 셀 홀더 스택을 형성하기 때문에 하우징에서 패킹이 달성된다. 더욱이, 셀 스택에 의해 형성된 내부 하우징에 외측 하우징이 제공된다.
본 발명에 따라 구성된 셀 홀더의 하나의 특별한 장점은 동일한 것의 냉각과 관련하여 정확하도록 개별적인 셀들의 양호한 전기 절연을 보장한다는 사실에 있다. 셀 홀더의 후면 벽은 냉각 목적을 위해 설계되고, 동시에 바람직한 전기 절연을 보장한다. 따라서, 하우징의 측벽들은 상응하는 절연 기능을 맡는다. 따라서 셀 홀더 하우징이 상대적으로 작은 벽 두께로 구성될 수 있기 때문에 동시의 냉각 및 절연이 콤팩트한 방식으로 달성된다. 이러한 셀 홀더에 대한 소재로, 적절한 플라스틱이 적합하며, 본 발명이 속한 통상의 지식을 가진 자에게 알려져 있다.
본 발명에 따라 셀 홀더는 하나 또는 양쪽 모두에 개방된 하우징의 형태로 구성된다. 따라서 그것은 하나의 셀 또는 2 개의 셀을 홀딩하고 수용할 수 있다. 2 개의 셀들의 동시 수용의 경우에, 후면 벽은 상기 후면 벽에 대해 서로 맞대어 인접한 이들 2 개의 셀들의 냉각을 보장한다.
셀 홀더의 작동 상태에서 냉매, 특히 물에 의해 관류되는 냉매 채널이 후면 벽에 배열된다. 냉매 채널은 바람직하게 인접 셀이 전체의 영역들에 걸쳐 폭넓게 냉각되도록 구성된다. 여기에, 특히, 냉각 채널은 소위 "유동 필드(flow field)"를 형성하고, 예를 들어 후면 벽에 굴곡형 패턴(serpentine pattern)으로 형성될 수 있다.
냉매 채널로 및 그로부터 공급과 배출이 냉매 공급 및 냉매 배출 채널부에 의해 보장되고, 이것들은 셀 홀더의 하우징 상에, 특히 상부면 상에 배열된다. 복수의 셀 홀더들이 열로 나열되거나 스태킹된 경우, 이들 냉매 공급 및 냉매 배출 채널부들은 함께 조립되어 셀 홀더들의 각 후면 벽의 냉매 채널들에 냉매를 공급하고 그로부터 냉매를 가져가는 냉매 공급 채널 및 냉매 배출 채널을 형성할 수 있다.
각 셀 홀더는 또한 치설 및 그루브 연결 장치들이 제공되어, 이에 의해 추가적인 셀 홀더들이 부착되어 상응하는 셀 홀더 스택들을 형성할 수 있다. 이러한 치설 및 그루브 연결 장치는 복수의 셀 홀더들이 간단한 방식으로 함께 조립되거나 플러깅될 수 있도록 다양하게 구성되고, 단지 제공될 수 있다. 실현을 위해, 셀 홀더의 일 측면 상에 돌출하는 플랜지들은 예를 들어 다른 셀 홀더의 다른 측면 상의 그루브들과 상호작용할 수 있다.
본 발명에 따라 구성된 셀 홀더에서, 하우징은 바람직하게 입방형 구성이고 하나의 입방형 또는 2 개의 입방형 에너지 저장 셀들을 수용하도록 기능한다. 덧붙여, 셀 홀더는 바람직하게 외부 하우징에 체결하는 것이 가능한 홀딩 푸트 부분(holding foot portion)을 가진다.
후면 벽은 편리하게 냉각 플레이트에 의해 형성되고, 이는 외부 측면 상에 서로 연결된 2 개의 부분들로 구성되며, 냉매 채널은 바람직하게 플레이트 부분에 새겨진다.
냉매 공급 장치 및 냉매 배출 채널 사이에, 셀 홀더는 바람직하게 에너지 저장의 관련 전자 장치의 수용 및 수용 설비에 대한 공간을 가진다. 셀 홀더의 하우징은 또한 형성된 셀 홀더 스택이 함께 홀딩되는 클램핑 장치들, 예를 들어 밴드 클램프들의 배열을 위해 하나 이상의 함몰부들을 가질 수 있다.
이미 언급했듯이, 본 발명에 따라 구성된 셀 홀더는 특히, 소프트 팩으로서 구성된 리튬 이온 셀들에 대해 적합하다. 이러한 리튬 이온 셀들은 적층 알루미늄 호일이 용접된(welded) 실링(sealing) 테두리를 가진다. 실링 가장자리는 접혀서, 셀들에 대해 꼭 맞는다. 전반적으로, 리튬 이온 셀들의 입방형 구성은 이에 따라 획득된다.
본 발명에 따라 구성된 셀 홀더는 이러한 하나의 셀 또는 2 개의 셀들을 수용할 수 있는 하우징을 가지며, 셀의 집전 장치들(current collectors)이 하우징에서 통로들을 통해 외측으로 가이딩된다. 셀 홀더 내로 셀 또는 셀들의 삽입에 후속하여, 이들 집전 장치들은 상기 셀 홀더의 외측에서 서로에 대해 연결된다.
본 발명에 따라 제공된 치설 및 그루브 연결 장치들은 셀 두께에서 치수이상으로(by overdimensioning), 허용오차들을 흡수할 수 있도록 편리하게 구성된다. 셀 홀더들은 여기서 적층의 수량으로 하나 위에 다른 하나가 스태킹되어 목표된 전압의 멀티셀 에너지 저장이 직렬 연결을 통해 조정될 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따라 구성된 셀 홀더를 갖는 에너지 저장 셀, 특히 리튬 이온 셀에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따라 구성된 멀티셀의 셀 홀더들을 갖는 셀 홀더에 관한 것이고, 상기 멀티셀의 셀 홀더들은 치설 및 그루브 연결 장치들을 통해 함께 조립되거나 플러깅된다. 이러한 셀 홀더 스택은 선택적 수량의 셀 홀더들로부터 형성될 수 있다. 셀 홀더들이 조립될 때, 냉매 공급 및 냉매 배출 채널부들이 또한 밀봉 방식으로 함께 조립되어서, 누설 손실없이 연속적인 냉매 공급 및 냉매 배출 채널들이 형성된다. 양 측면 상에서 폐쇄를 위해, 셀 홀더 스택은 바람직하게 2 개의 단부 플레이트들을 가지며, 이는 형성된 냉매 공급 및 배출 채널들에 대해 냉매 공급 및 배출 연결들이 제공된다.
2개 셀 홀더 스택들을 함께 홀딩하기 위해, 바람직하게 탄성인 클램핑 장치들이 사용된다. 이러한 클램핑 장치들은 예를 들어 밴드 클램핑들에 의해 구성되고, 셀 홀더들의 하우징 상에 제공된 함몰부들에 분산되거나 배열된다.
이러한 셀 홀더 스택은 또한 바람직하게 이웃하는 셀들의 집전 장치들을 연결하기 위해 멀티셀의 셀 커넥터들을 가진다. 따라서 조립된 셀들은 연속적으로 연결된다.
다중 셀 홀더들로부터 형성된 이러한 셀 홀더 스택에서, 개별적인 셀 홀더들은 허용오차 보상 목적으로 일정하게 떨어져 조립될 수 있어서, 상이한 두께의 셀들을 수용할 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따라 구성된 셀 홀더들의 셀 홀더 스택을 갖는 멀티셀 에너지 저장소 또는 멀티셀 배터리에 관한 것이다.
이러한 멀티셀 에너지 저장은 또한 셀 홀더 스택의 홀딩 푸트(holding foot)에 체결되는 외부 하우징이 제공될 수 있고, 이러한 홀딩 푸트는 개별적인 셀 홀더들의 복수의 홀딩 푸트 부분들에 의해 형성된다.
따라서 본 발명에 따라 구성된 셀 홀더는 특히 하이브리드 또는 전기 자동차 배터리에 대해, 기계적으로 안정한 셀 스택의 구축을 허용한다. 이러한 셀 스택에서, 개별 셀들은 기계적으로 외부 영향으로부터 보호된다. 상응하는 냉각 기능이 스택에서 통합된다. 셀 홀더들의 바람직하게 얇게 구성된 후면 벽들로 인해, 셀로부터 냉매까지 열 전도 섹션은 매우 짧아서, 매우 작은 온도 구배(temperature gradients)가 형성된다. 후면 벽 또는 냉각 플레이트들이 매우 얇게 만들어질 수 있다는 사실은 다른 냉각 개념들과 비교하여 설치 공간에서 이득을 생성한다.
셀 홀더에 삽입된 셀은 로봇들에 의해 매우 쉽게 처리될 수 있어서, 셀 스택들은 자동적인 방식으로 구축될 수 있다. 셀 홀더들에 대한 소재로서, 값 싼 플라스틱이 사용될 수 있다. 임의 종류의 어떠한 금속 부분들도 셀 홀더 상에 존재하지 않기 때문에, 내부 쇼트 서킷이 방지되어 요구된 안정성 테스트에 관해 상당한 장점들이 얻어진다. 전기 자동차에 대해 보장되어야 하는 고전압 저항성은 특히 주목할 만하다.
본 발명은 도면과 함께 예시적 실시예를 참조하여 하기에 상세하게 설명된다;
도 1은 셀 홀더의 3 차원도이고;
도 2는 셀 홀더 스택의 3 차원도이고;
도 3은 셀 홀더의 후면 벽의 개략적인 평면도이고, 후면 벽에 배열된 냉각 채널이 개략적으로 도시되고; 그리고
도 4는 추가적인 셀 홀더와 연결된 셀 홀더의 부분을 통한 수평 단면을 도시한다.
도 1의 입체도로 개략적으로 나타난 셀 홀더(1)는 일 측면이 개방되고 수직 단면에서 대략 직사각형 구성이고 후면 벽(3) 및 상부 벽(20), 2 개의 측벽들(2) 및 바닥 벽(21)을 구비한 하우징을 가진다. 상부 벽(20) 상에 냉매 공급 채널부(5) 및 냉매 배출 채널부(6)가 발견된다. 이들 두 부분은 셀 홀더의 후방벽(3)에 배열된 냉매 채널(미도시)에 연결되어서, 적합한 냉매, 예를 들어 물이 채널부(5)를 통해 공급되어 냉매 채널(미도시)로 유입될 수 있다. 냉매 채널을 통해 흐른 후, 냉매는 냉매 배출 채널부(6)를 통해 다시 가져가진다.
셀 홀더(1)는 또한 장치들을 연결하는 치설 및 그루브를 구비하고, 이를 통해 다른 상응하는 셀 홀더들과 조립될 수 있다.
이러한 치설 및 그루브 연결 장치는 7(그루브) 및 8(몰딩)로 개략적으로 나타난다.
셀 홀더는 그 측벽들(2)의 바닥 단부에 홀딩 푸트 부분(4)을 더 가지며, 이에 의해 외부의 하우징에 체결될 수 있다.
도 1에 표시된 셀 홀더(1)는 리튬 이온 셀, 소위 "소프트 팩"을 수용하도록 기능하고, 이는 냉매에 의해 관류되는 후면 벽(3)과 접촉하여, 30으로 표시된 자유 공간에 수용된다. 셀 홀더는 적절한 플라스틱 소재로 구성되고, 이는 셀의 상응하는 전기 절연을 보장한다.
도 2는 셀 홀더(1)로 구성된 셀 홀더 스택의 3 차원도이다. 이러한 셀 홀더 스택은 다수의 셀 홀더들(1)로 구성되며, 이는 치설 및 그루브 연결 장치들에 의해 서로 연결된다. 완성된 상태에서, 셀 홀더 스택에 냉매 공급 및 냉매 배출 장치들(5, 6)을 갖는 2 개의 단부 플레이트들(미도시)이 제공된다.
개별 셀 홀더들의 조립을 통해, 채널 부분들(5, 6)은 또한 냉매 채널들(13)에 연결되는 연속적인 채널들을 생성하면서, 밀봉 방식으로 조립된다.
도 2에서, 채널들(5, 6)의 상부 측면들 상의 그루브들(11)이 또한 도시되며, 이러한 그루브들은 셀 스택들이 함께 홀딩되는 밴드 클램프들을 수용하도록 기능한다. 셀 커넥터들(12)은 개별 셀들이 연속하여 연결될 수 있는 것을 보장한다. 셀 홀더들의 벽들을 통해 연장하는 셀들의 상응하는 집전 장치들(current collectors)은 표시되지 않았다.
도 3은 제거된 전방면을 갖는 셀 홀더(1)의 후면 벽(3)을 도시한다. 후면 벽(3) 내에 유동 필드를 형성하여 후면 벽(3)의 넓게 평탄한 냉각(broadly even cooling)을 보장하는 굴곡형 냉매 채널(13)이 배열된 것이 보일 수 있다. 냉매는 냉매 공급 채널부(5)로부터 냉매 채널(13) 내로 나가고, 상기 냉매 채널(13)을 통해 흘러서 냉매 배출 채널부(6)로 나가 이로부터 가져가진다. 도 3에서, 냉매 공급 채널부에 2 개의 냉매 채널 연결들 및 냉매 배출 채널부에 2 개의 냉매 채널 연결들이 표시된다. 물론, 자명하게 여러가지로 구성된 유동 필드들이 또한 사용될 수 있다.
도 4는 추가적인 셀 홀더와 연결된 셀 홀더의 부분을 통한 수평 단면을 도시한다. 여기서 셀 홀더의 후면 벽(3)이 2 개의 냉각 플레이트부들로 구성되고, 그 중 내부 냉각 플레이트부(14)는 냉각 채널(13)을 가지며, 이는 이러한 냉각 플레이트부에 새겨진 것을 볼 수 있다. 2 개의 플레이트 부분은 함께 용접된다.
도 4는 셀 홀더들의 치설(tongue) 및 그루브 연결 장치들을 더 도시한다. 표시된 셀 홀더(1)는 이웃하는 셀 홀더의 치설(16)(몰딩)이 맞물리는 그루브(15)를 갖는다. 상응하는 연결 장치들은 상이한 두께의 셀들에 대해 일정한 허용 오차 보정을 허용하도록 구성된다. 도 4는 이웃하는 셀 홀더들이 거리를 두고 떨어져 배열된 것을 도시한다.

Claims (17)

  1. 하나의 에너지 저장 셀 또는 2 개의 에너지 저장 셀들, 특히 리튬 이온 셀들을 홀딩하고 수용하기 위한 셀 홀더로서,
    상기 셀 홀더가 한쪽 또는 양쪽 측면 상에 개방되고 전기적으로 절연 소재로 구성된 하우징의 형태로 구성되며 그리고 상기 셀 홀더는 냉매 채널(13)이 배열된 후면 벽(3)을 가지며, 또한 상기 하우징 상에 배열되고 상기 냉매 채널(13)에 연결된 냉매 공급 및 냉매 배출 채널부(5, 6)를 가지며,
    상기 하우징이 상기 셀의 집전 장치들(current collectors)에 대한 통로를 가지고 다른 셀 홀더(1)의 부착을 위해 치설 및 그루브 연결장치들(7, 8)이 제공된
    셀 홀더.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매 공급 및 냉매 배출 채널부(5, 6)가 상기 하우징의 상부면 상에 배열된
    셀 홀더.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 채널(13)이 상기 후면 벽(3)에 굴곡형 패턴(serpentine pattern)으로 구성된
    셀 홀더.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징이 입방형 구성이고 하나의 입방형 또는 2 개의 입방형 에너지 저장 셀들을 수용하도록 기능하는
    셀 홀더.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 홀딩 푸트 부분(holding foot portion, 4)이 제공된 셀 홀더.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    후면 벽(3)이 2 개의 부분들로 구성된 냉각 플레이트에 의해 형성되고 상기 2 개의 부분들은 이들의 외부 측면 상에 서로 연결된
    셀 홀더.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매 공급 및 냉매 배출 채널부들(5,6) 사이에 관련 있는 전자 장치들의 수용을 위한 공간을 가지는
    셀 홀더.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매 공급 및 냉매 배출 채널부들(5, 6)의 상부면 상에 밴드 클램프의 수용을 위한 함몰부(11)를 가지는
    셀 홀더.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 셀 홀더(1)를 가지는, 에너지
    저장 셀.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 복수의 셀 홀더를 가지는 셀 홀더 스택으로서,
    치설 및 그루브 연결 장치들(7, 8)을 통해 조립되는
    셀 홀더 스택.
  11. 제 10 항에 있어서,
    양쪽 측면들 상에 상기 스택을 폐쇄하는(close off) 2 개의 단부 플레이트들을 가지는
    셀 홀더 스택.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 단부 플레이트들은 형성된 상기 냉매 공급 및 냉매 배출 채널들에 대해 냉매 공급 및 냉매 배출 연결이 제공된
    셀 홀더 스택.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀 홀더들(1)의 클램핑을 위해 클램핑 장치들이 제공된
    셀 홀더 스택.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이웃하는 셀들의 전기적 연결을 위해 복수의 셀 커넥터들(12)을 가지는
    셀 홀더 스택.
  15. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개별적인 셀 홀더들(1)이 허용오차 보상 목적으로 거리를 두고 떨어져 조립된
    셀 홀더 스택.
  16. 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 셀 홀더 스택을 가지는
    멀티셀 에너지 저장소.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 셀 홀더 스택의 홀딩 푸트에 체결되는 외부 하우징을 가지는
    멀티셀 에너지 저장소.
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