KR20120060819A - 평전지들 및 공급채널을 갖는 프레임 요소들을 포함하는 전기 에너지 저장 장치 - Google Patents

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엔스 메인트슈엘
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Abstract

본 발명은 전기 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 상기 전기 에너지 저장 장치는 마주하고 있는 평평한 집전체들을 가진, 전기 에너지를 저장 및 방출하기 위한 다수의 평평한 저장 전지들, 상기 저장 전지들을 유지시키기 위한 다수의 프레임 요소들, 및 스택이 되도록 상기 전지들을 상기 프레임 요소들과 클램핑하기 위한 클램핑 수단을 구비한다. 각각의 저장 전지는 적어도 하나의 물리적 변수를 측정하기 위한 측정 또는 센서 요소를 지니고 있으며, 상기 각각의 측정 및 센서 요소에는 측정 데이터를 전달하기 위한 케이블이 부착되어 있다. 상기 프레임 요소들은 상기 측정 및 센서 요소들을 수용하기 위한 제 1 리세스들, 및 상기 제 1 리세스들과 연결되어 있는 제 2 리세스들을 구비하며, 상기 프레임 요소들의 상기 제 2 리세스들은 함께, 케이블들을 수용하기 위해 상기 장치의 길이에 걸쳐 뻗어 있는 적어도 하나의 채널을 형성한다.

Description

평전지들 및 공급채널을 갖는 프레임 요소들을 포함하는 전기 에너지 저장 장치{ELECTRICAL ENERGY STORAGE DEVICE MADE OF FLAT CELLS AND FRAME ELEMENTS WITH A SUPPLY CHANNEL}
본 발명은 평전지들 및 프레임 요소들을 포함하는 전기 에너지 저장 장치, 및 이러한 전기 에너지 저장 장치에서 사용되는 프레임 요소에 관한 것이다.
평평한 직사각형으로 설계된 저장 요소들의 형태로 전기 에너지 저장 장치를 제조하는 것이 알려져 있다. 이러한 전기 에너지 저장 전지(storage cell)들은 예컨대 이른바 파우치(Pouch) 또는 커피백(Coffeebag) 전지들이며, 즉 전기 에너지를 위한 평평한 직사각형 저장 전지들이고(배터리 전지, 축전기 전지, 커패시터,..), 특히 갈바니 전지이며, 그들의 전기화학적으로 활성화된 부분은 필름 유형의 케이싱에 의해 둘러싸여 있고, 상기 케이싱을 통해 박판 형태의 전기적 연결부들(단자들), 이른바 (전류)집전체들이 안내되어 있다. 또한, 클램핑 장치를 이용해 하나의 블록(block)이 되도록 합쳐져 있는 다수의 이러한 전기 에너지 저장 전지로 전기 에너지 저장 장치를 제조하는 것이 알려져 있다. 전지들의 전기적 직렬 또는 병렬 연결은 전도성 접촉요소들을 통해 수행되며, 상기 접촉요소들은 인접한 전지들의 해당 집전체들 간의 전기적 연결을 발생시킨다. 이 경우, 느슨히 프레임 안에 수용되어 있거나 또는 클램프 등등에 의해 압착되어 있는 전지들을 스택(“전지 블록”이라고도 불리운다) 안에 배치하고, 그리고 전지들의 좁은 쪽에서 위에 노출되어 있는 단자들을 적합한 수단을 이용해 연결시키는 것이 일반적이다. 전지들을 연결시키기 위한 연결 수단들 이외에, 밸런싱(전하 균일)을 위한 전지 전압의 측정 또는 온도 측정을 위해 케이블들이 전지들로부터 배터리 전자 부품 쪽으로 설치된다. 이로 인해 추가적인 비용 및 설치 공간이 필요해지고, 그리고 무게가 늘어난다.
본 발명의 목적은 특히(하지만 이것에 한정되어 있지 않고) 상기 언급된 관점들과 관련하여 전기 에너지 저장 장치의 구조를 개선하는 것이다.
상기 목적은 독립항들의 특징들에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 개선형태들은 종속항들의 대상을 형성한다.
본 발명에 따른 전기 에너지 저장 장치는 마주하고 있는 평평한(flat) 집전체(current collector)들을 가진, 전기 에너지를 저장 및 방출하기 위한 다수의 평평한 저장 전지(storage cell), 상기 저장 전지들을 유지시키기 위한 다수의 프레임 요소들(frame elements), 및 스택(stack)이 되도록 상기 전지들을 상기 프레임 요소들과 클램핑하기 위한 클램핑 수단(clamping means)을 구비하며, 이때 각각의 저장 전지는 적어도 하나의 물리적 변수, 특히 온도 및/또는 전압을 측정하기 위한 적어도 하나의 측정 또는 센서 요소(measurement or sensor element)를 지니고 있고, 상기 각각의 측정 또는 센서 요소에는 측정 데이터를 전달하기 위한 케이블(cable)이 부착되어 있으며, 상기 프레임 요소들은 상기 측정 또는 센서 요소들을 수용하기 위한 제 1 리세스들(recesses), 및 상기 제 1 리세스들과 연결되어 있는 제 2 리세스들을 구비하고, 상기 프레임 요소들의 상기 제 2 리세스들은 함께, 케이블들을 수용하기 위해 상기 장치의 길이에 걸쳐 뻗어 있는 적어도 하나의 채널(channel)을 형성한다.
본 발명의 맥락에서 전기 에너지 저장 장치란 전기 에너지를 방출하기 위해서도 설계 및 설치되어 있는 장치를 말하며, 에너지는 하나 또는 다수의 저장 전지 안에 저장될 수 있다. 저장 전지들 자체는 물론 마찬가지로 전기 에너지를 방출하기 위해서도 설계 및 설치되어 있다. 본 발명의 맥락에서 저장 전지는 에너지의 전기적 저장을 위한 모든 유형의 장치이다. 그러므로, 상기 개념은 특히 1차 유형(한 번 저장되어 있는 화학적 에너지를 전기화학적 에너지를 통해 한 번 방출할 수 있고, 그 후 다 써 버린 이른바 배터리들) 및 2차 유형(전기적 충전, 즉 전기 에너지의 공급을 통해 전기화학적 반응에 의해 재충전 가능한 이른바 축전지들)의 전기화학적 또는 갈바니 전지들을 포함하며, 하지만 에너지 저장 장치의 다른 유형들, 예컨대 커패시터들도 포함한다. 본 발명의 맥락에서 저장 전지들은 특히 액티브 부분(active part)을 구비하며, 상기 액티브 부분의 내부에서는 전기 에너지의 충전 및 경우에 따라서는 변환 과정이 발생하고, 그리고 상기 액티브 부분은 예컨대 필름 유형의 케이싱에 의해 바람직하게는 기밀 및 액밀적으로 둘러싸여 있다. 이 경우, 이른바 집전체들은, 같이 전도적으로 연결되어 있는 상기 액티브 부분의 내부로부터 상기 케이싱을 통해 전지의 외부로 돌출하며, 그리고 전지들의 상기 액티브 부분들을 서로 연결하거나 또는 부하(load)와 연결하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 맥락에서 평평한(flat)이란 2개의 다른 공간방향(spatial direction)보다 한 공간방향에서 적은 확장부를 가진 기하학적 형태를 말한다. 본 발명의 맥락에서 프레임 요소란 예컨대 본질적으로 각기둥 모양의, 바람직하게는 압출 성형 방향으로 평평한 공간적 형태를 말하며, 상기 공간적 형태는 반경 방향 외측 영역보다 반경 방향 내측 영역에서 적은 재료 두께를 갖고 있고, 이것에는 특히 각기둥 모양의 빈 공간적 형태들도 포함되며, 즉 반경 방향 내측 영역에서 물질을 구비하지 않은 공간적 형태들도 포함된다. 재료 두께는 - 반드시 그래야 하는 것은 아니지만 - 반경 방향 외측 영역(본래의 의미에서의 프레임)에서 본질적으로 일정할 수 있다.
본 발명의 맥락에서 측정 또는 센서 요소(measurement or sensor element)란 물리적 변수의 능동적 및 수동적 검출을 위해서도 설계 및 설치되어 있는 임의의 유형의 장치를 말한다; 이 장치는, 측정 환경과 연결되어 있거나 또는 이 측정 환경에 노출되어 있는 단순한 라인 단부(line end)에 한정되어 있거나, 또는 측정 데이터를 처리하기 위한 전기 시스템 및/또는 전자 시스템을 갖출 수도 있다. 상기 측정 또는 센서 요소는 또한 신호들 및/또는 전하를 측정 환경의 방향으로, 예컨대 집전체에게 방출하도록 설계 및 설치되어 있을 수 있다; 즉, 그는 특히 구동 요소의 기능도 실현할 수 있다. 상기 측정 및 센서 요소는 그를 측정 환경에 또는 상기 측정 환경 안에 고정시키기 위한 수단을 구비할 수 있다.
본 발명의 맥락에서 케이블(cable)이란 전류 및/또는 신호를 전도하기 위한 모든 장치를 말한다; 그는 예컨대 전기적 또는 광학적 또는 다른 도체에 관한 것일 수 있다; 서로 다른 유형의 다수의 도체의 조합들도 상기 개념에 포함되어 있다.
본 발명의 맥락에서 리세스(recess)란 기하학적 기본 형태에서의 물질의 모든 유형의 제거를 말한다; 그것은 예컨대 노치(notches), 함몰부, 포켓(pockets), 오목부 또는 그 밖의 캐버티(cavities), 블라인드 홀(blind hole) 또는 관통구멍, 또는 그루브(groove) 등등 일 수 있다. 본 발명의 맥락에서 채널(channel)이란 전체 장치의 길이에 걸쳐 뻗어 있는 연속적인 리세스를 말하며, 상기 리세스를 통해 케이블이 안내될 수 있다. 본 발명의 맥락에서 장치의 길이란 본질적으로 적층되어 있는 프레임 요소들에 의해 결정되어 있는 길이를 말한다; 하지만 채널은 예컨대 단부면쪽에서 프레임 요소들의 스택 상에 배치되어 있는 부품들을 통해 계속 뻗어 있을 수 있다; 채널은, 그곳에 존재하는 측정 또는 센서 요소들에 아직 접근 가능한 한(accessible) 각각 마지막 프레임 요소 앞에서 끝날 수도 있다.
각각의 저장 전지에는 물리적 변수, 특히 온도를 측정하기 위한 적어도 하나의 측정 또는 센서 요소(measurement or sensor element)가 부착되어 있기 때문에, 저장 전지들의 정확한 특성 프로파일, 특히 온도 프로파일(temperature profile)을 생성시키는 것이 또한 가능하며, 이는 예컨대 개개의 국부적인 냉각을 통한 전지 스택(cell stack)의 특히 온도 밸런스(temperature balance)의 정확한, 그리고 선택적인 조절을 가능하게 한다. 측정이 예컨대 전압에 관한 것이면, 전지 스택의 개별적인 전지들 간의 전하 균일(charge equalization)의 적합한 조절도 가능하다. 상기 프레임 요소들이 상기 측정 또는 센서 요소들을 수용하기 위한 제 1 리세스들을 구비하고 있기 때문에, 상기 측정 또는 센서 요소들의 공간 절약적 수용도 가능하다. 제 2 리세스들에 의해 형성된 채널을 통해, 데이터 케이블들은 예컨대 데드 스페이스(dead space)를 이용하여 눈에 띄지 않게, 그리고 보호되어 안내될 수 있으며, 그리고 또한 상기 프레임 요소들의 물질 제거로 인해 무게를 상쇄시킨다. 상기 저장 전지들의 집전체들이 서로 마주하고 있기 때문에, 직렬 및/또는 병렬 연결에 의한 상기 저장 전지들의 신뢰성 있는 연결이 간단한 방식으로 가능하다. 스택이 되도록 상기 전지들은 상기 프레임 요소들과 함께 클램핑되어 있기 때문에, 다수의 평평한 저장 전지들은 공간 절약적으로 그리고 조립이 쉽게, 안정적인 블록 안에 배치될 수 있다.
상기 장치는, 상기 제 2 리세스들이 상기 프레임 요소들의 방사상(radially) 외부 가장자리쪽으로 열려 있도록 형성되어 있을 수 있다. 이러한 방식으로, 채널은 케이블 설치, 정비 및 컨피규레이션을 목적으로 바깥으로부터 쉽게 접근 가능하다.
상기 적어도 하나의 채널을 폐쇄하기 위한 폐쇄 장치, 예컨대 U자형 걸쇠가 제공되어 있으면, 데이터 케이블들(data cables)은 바깥쪽으로 열려 있는 채널의 경우 눈에 띄지 않게, 그리고 보호되어 안내될 수 있다.
상기 측정 또는 센서 요소들을 부착시키기 위해, 저장 전지들의 각각 적어도 하나의 집전체가 제공된다. 그곳에서 예컨대 전기적 변수들, 예컨대 전지 전압이 직접적으로 판독될 수 있으며, 그리고 그 밖의 물리적 변수들, 예컨대 온도는 전지들의 내부 밖으로 잘 옮겨지고, 그리고 집전체를 통해 판독될 수 있다. 본 맥락에서 부착이란 적어도 스택이 클램핑된 상태에서 반경 방향 또는 축방향에서의 이동을 저지하는 배치를 말한다; 상기 부착은 클램핑, 접착, 리벳 체결, 납땜 등등을 통해, 즉 특히 탈착 가능하게 또는 탈착 가능하지 않게 수행될 수 있다.
상기 전지들의 집전체들이 각각 클램핑 수단에 의한 마찰 결합(frictional connection)을 이용해 상기 프레임 요소들 사이에 클램핑되어 있으면, 인접한 전지들 간의 미리 결정되어 있는 간격이 지켜질 수 있으며, 상기 간격은 상기 전지들의 전기화학적으로 활성화된 부분에 클램핑력이 가해지지 않도록 조정될 수 있다. 이는 전지들의 기능 신뢰성 및 수명과 관련하여 장점들을 가질 수 있다; 이 이외에, 전지들의 평평한 쪽들은 열전달 매체(heat transfer medium)에게 열을 방출하거나, 또는 경우에 따라서는 예컨대 낮은 온도하의 시작시 그로부터 열을 흡수할 수 있다. 적합한 수단, 예컨대 개별적인 냉각제 안내 등등을 통해, 인접한 전지들 사이의 각각의 중간 공간 안의 온도는 개별적으로 조절될 수 있다. 집전체들에서 상기 프레임 요소들 사이에 저장 전지들을 클램핑하는 것은 상기 집전체들의 마주하고 있는 배열을 통해 쉬워진다; 이로 인해, 블록 안에서의 전지들의 신뢰성 있는, 장소 및 위치 고정식 고정이 쉬워진다.
상기 클램핑 수단을 통해 단부쪽 프레임 요소들 상에서 스택과 함께 클램핑되어 있는 압축 엔드 피스들(compression end pieces)이 각각의 채널의 높이에 관통구멍을 구비하면, 케이블들은 특히 간단히 스택 밖으로 안내될 수 있다. 본 발명의 맥락에서 압축 엔드 피스란 클램핑 수단에 의해 가해진 클램핑력을 받아들이고, 그리고 예컨대 압축력을 단부쪽 프레임 요소들을 통해 스택 안으로 안내하도록 설계 및 설치되어 있는 부품을 말한다. 이 경우, 상기 압축 엔드 피스들이 클램핑 수단의 아마도 국부적으로 발생하는 클램핑력을 균일하게 분배하여 압축력으로서 상기 프레임 요소들 안으로 도입시키는 것이 유리하다.
본 발명은 민감한 온도 밸런스(temperature balance)를 근거로 특히 바람직하게는 Li 이온 축전지들에 적용 가능하다. 본 발명의 맥락에서 Li 이온 축전지란 소스 전압(source voltage)이 양극과 음극 사이의 리튬 이온들의 이동을 통해 발생하는 갈바니 전지들, 특히 2차 전지들을 구비한 전기 에너지 저장 장치를 말한다. 평평한 리튬 이온 축전기 전지들에 있어서, 양극과 음극과 전해질은 예컨대 층층이 필름 스택 안에 존재할 수 있으며, 이때 층 순서 또는 그의 부분들은 한 번 또는 여러 번 반복될 수 있고, 그리고 이때 양극들의 층들(필름들)은 제 1 집전체와 연결되어 있으며, 음극들의 층들(필름들)은 제 2 집전체와 연결되어 있고, 전해질 필름들은 차단층들로서 사용된다.
본 발명은 또한 상기 설명된 바와 같이 전기 에너지 저장 장치에서 사용되도록 설계되어 있는 프레임 요소에 관한 것이다.
본 발명의 상기 특징들과 그 밖의 특징들, 과제 및 장점들은 첨부된 도면들을 참조로 작성되어 있는 아래의 설명을 통해 보다 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서의 전지 블록의 투시도;
도 2는 도 1의 전지 블록의 프레임 요소의 투시도;
도 3은 저장 전지와 함께, 도 2의 프레임 요소의 도면;
도 4는 도 1의 전지 배열체의 투시적 분해 조립도;
도 5는 프레임 및 클램핑 장치가 생략된, 도 1의 전지 블록의 측정 또는 센서 요소들 및 공급 라인들을 가진 전지 배열체의 도면;
도 6은 2개의 인접한 저장 전지들 사이의 평면에서 절단된, 도 1의 전지 블록의 단부면쪽 도면이다.
도면들 안의 그림들은 개략적이며, 본 발명을 이해하는데 가장 중요한 특징들을 도시하는 것에 제한되어 있다는 점을 유의하도록 한다. 또한, 도면들에 나타나 있는 치수 및 크기 비율은 단지 도면을 명확하게 하기 위한 것이며, 결코 제한적이 아니라는 점을 유의하도록 한다.
이제 본 발명의 일 실시예는 도 1 및 도 6을 근거로 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서의 전지 블록(cell block)의 투시도이다.
도 1에서의 전체 투시도에 따르면, 전지 블록(1)은 다수의 저장 전지(2)(갈바니전지들, 축전기 전지들 등등, 도 1에서는 단 하나만 보인다), 다수의 중간 프레임(intermediate frame)(4), 2개의 엔드 프레임(end frame)(6), 2개의 압축 패널(8), 및 양쪽에 배치되어 있는 너트들(12)을 가진 4개의 타이로드(tie rod)(10)를 구비한다. 두 엔드 프레임(4) 중 하나와 중간 프레임들(6)과 두 엔드 프레임(4) 중 두 번째 것은 이 순서로 블록(block)을 형성하며, 상기 블록은 단부쪽에 배치되어 있는 압축 패널들(8)에 걸쳐 타이로드들(10) 및 너트들(12)을 이용해 결속되어 있다. 압축 패널들(8)은 창문(14)을 구비하며, 그리고 이로써 프레임 모양으로(frame-shaped) 형성되어 있다. 하기에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 저장 전지들(2)은 적층되어 있는 프레임들(4, 6)에 의해 형성된 구조의 내부에 위치해 있다.
우선 상기 중간 프레임들과 상기 엔드 프레임들(4, 6)로 형성된 블록의 윗면의 각각 왼쪽과 오른쪽에 형성되어 있는 2개의 공급채널(supply channel)(16)에 유의하도록 한다. 공급채널들(16) 안에는 저 전압 케이블들(18)이 뻗어 있으며, 상기 저 전압 케이블들은 전방 압축 패널(8) 안의 개구부들(20)을 통해 밖으로 안내되어 있다.
도 2에는 도 1의 블록의 중간 프레임들(4) 중 하나가 개별적으로 도시되어 있다.
상기 중간 프레임(4)은 2개의 평평한 쪽과 4개의 연속적인 좁은 쪽을 가진 직육면체 모양의 윤곽을 가진다. 상기 평평한 쪽들의 표면 법선은 도 1의 전지 블록 안의 프레임들의 적층 방향과 일치한다. 가운데에는 창문 모양의 개구부가 형성되어 있으며, 따라서 남아 있는 웨브들(webs)은 프레임을 형성한다. 상기 중간 프레임의 측면 수직 웨브들 상에는, 앞과 뒤에 압축면들(compression surfaces)(22)이 형성되어 있다.
상부 좁은 쪽에서 시작하여, 왼쪽과 오른쪽에는 노치(notch)(24)가 아래쪽으로 수직 웨브 안으로 뻗어 있다. 노치(24)의 연장부 안에는, 상기 압축면들 중 하나 안에 포켓 모양의 오목부(26)가 형성되어 있다. 오른쪽 수직 웨브 안에는 오목부가 앞쪽에 형성되어 있고, 반면 왼쪽 수직 웨브 안에는 오목부가 뒤쪽에 형성되어 있다는 것에 유의하도록 한다.
상기 수직 웨브들 중 하나 안에는 2개의 관통구멍(28)이 형성되어 있으며, 상기 관통구멍들은 압축면들(22)을 적층 방향으로 연결한다. 상기 관통구멍들(28)보다 큰 지름을 가진, 상기 수직 웨브들 중 다른 것 안의 상세히 도시되어 있지 않은 2개의 그 밖의 관통구멍들 안에는 각각 슬리브(sleeve)(30)가 삽입되어 있다. 슬리브들(30)은 좋은 전기 전도 재료로 제조되어 있으며, 그리고 이 웨브의 압축면들(22) 간의 관통 접촉을 위해 사용된다.
상기 중간 프레임(4)에 관해 상기 언급된 내용은 상응하여 엔드 프레임(6)에도 적용되며, 그곳에는 전지들을 향해 있는 쪽에만 오목부(26)가 형성되어 있다.
도 3에는 도 2로부터의 중간 프레임(4)이 저장 전지(2)와 함께 도시되어 있다.
도 3 안의 도면에 따르면, 저장 전지들(2)은 마주하고 있는 평평한 집전체들을 가진 이른바 평전지(flat cell) 또는 파우치 전지(pouch cell)로서 형성되어 있다. 보다 자세히 얘기하면, 각각의 저장 전지(2)는 액티브 부분(active part)(32), 실링 조인트(가장자리 영역)(34) 및 2개의 집전체(36)를 구비한다. 액티브 부분(32) 안에서는 전기 에너지를 저장 및 방출하기 위한 전기화학적 반응이 발생한다. 원칙적으로, 저장 전지들을 형성하기 위해 모든 유형의 전기화학적 반응이 이용될 수 있다; 하지만 본 설명은 특히 Li 이온 축전지들에 관한 것이며, 본 발명은 기계적 안정성 및 열평형(heat balance)에 대한 요구로 인해, 또한 경제적인 중요성으로 인해 Li 이온 축전지들에 매우 잘 적용될 수 있다. 액티브 부분(32)은 2개의 필름(상세히 도시되어 있지 않음)에 의해 샌드위치 유형으로 둘러싸여 있으며, 상기 필름들의 돌출하는 가장자리들은 서로 기밀 및 액밀적으로 용접되어 있고, 그리고 이른바 실링 조인트(sealing joint)(34)를 형성한다. 저장 전지(2)의 마주하고 있는 2개의 좁은 쪽들로부터 집전체들(36)이 양단자(+)와 음단자(-)로서 돌출한다.
집전체들(36)은 각각 2개의 구멍(38)(이하,“단자 구멍”이라고 불리운다)을 구비하며, 상기 구멍들은 중간 프레임(4) 안의 관통구멍들(28) 및 슬리브들(30)과 일직선으로 정렬되어 있다. 단자 구멍들(38)의 지름은 관통구멍들(28)의 지름 및 슬리브들(30)의 안지름과 같다.
오른쪽 집전체(36)의 뒤쪽에는 센서 요소(sensor element)(40)가 부착되어 있으며, 상기 센서 요소는 그의 몸체와 함께 중간 프레임(4)의 오목부(26) 안에 수용되어 있다. 센서 요소(40)는 집전체(36)에서의 온도 및 전압에 따라 출력 신호를 그의 연결부 단부에게 방출하도록 설치되어 있다. 바람직하게는, 센서 요소(40)는 그 밖의 물리적 변수들, 예컨대 온도 등등에 따라 전압 및/또는 신호를 수용하도록 설치되어 있다. 이 이외에, 상기 센서 요소는, 그의 연결부 단부를 통해 저 전압 전류를 수용하고 그리고 집전체(36)에게 방출하도록, 또는 그 정반대로 하도록 설치되어 있다. 그러므로, 상세히 도시되어 있지 않은 제어 장치를 통해 전하가 전지(2)에게 공급되거나 또는 그로부터 받아들여지고, 그리고 이렇게 하여 전지 블록(1) 내부에서의 전지들(2) 간의 전하 균일이 초래된다. 이 이외에, 센서 요소(40)의 출력 신호는 상기 제어 장치 안에서 평가될 수 있고, 그리고 예컨대 국부적으로 개별화된 온도보상(temperature compensation)은 열공학(heat engineering)의 적합한 수단을 통해 실현될 수 있다.
도 4에는 도 1로부터의 전지 블록(1)이 투시적 부분 분해 조립도로 도시되어 있다. 즉, 너트들(12)이 제거되어 있고, 그리고 관찰자를 향해 있는 쪽에서 압축 패널(8), 엔드 프레임(4), 저장 전지(2) 및 중간 프레임(6)이 타이로드들(10)에서 잡아 빼져있다.
저장 전지들(2)이 어떻게 프레임들(4, 6)의 압축면들(22) 사이에 샌드위치 유형으로 수용되며, 그리고 타이로드들(10)을 통해 클램핑되는 가가 도면에 확실히 나타나 있다. 타이로드들(10)은 서로 일직선으로 정렬되어 있는 관통구멍들(28), 슬리브들(30), 단자 구멍들(38), 및 압축 패널들(8) 안에 형성되어 있는 구멍들(eyes)(42)을 관통하여 뻗어 있다. 너트들(12)을 타이로드들(10)상에 꽉 조일 때, 전체 전지 블록(1)은 저장 전지들(2)이 프레임들(4, 6 또는 4, 4) 사이에 단단히 유지되도록 클램핑된다.
프레임들(4, 6)은, 슬리브들(30)이 스택(stack)의 교대하는(alternating) 측면들에 안착되는 방식으로 상기 스택 안에 배치되어 있다. 이 이외에, 센서 요소들(40) 및 공급 라인들(18)을 가진, 하지만 프레임들(4, 6) 및 클램핑 요소들(10, 12)이 생략된 전지 스택(cell stack)(1) 안의 전지들의 배열이 도시되어 있는 도 5 안의 도면에 따르면, 저장 전지들(2)는 적층 방향으로 집전체들(36)의 교대하는(alternating) 단자 위치(terminal position)와 함께 배치되어 있다. 즉, 인접한 저장 전지들(36)에 있어서, 서로 다른 극성(polariy)의 집전체들(36)이 항상 마주하고 있다. 슬리브들(30)은 스택 안에서 클램핑 요소들(10, 12)을 이용해, 마주하고 있는 집전체들(36)에 대해 내리눌려지며, 그리고 이렇게 하여 상기 집전체들 간의 전기 전도적 연결을 발생시킨다. 이러한 방식으로 스택 안에는 서로 다른 극성의 집전체들(36)이 계속 서로 연결되어 있으며, 그리고 저장 전지들(2)의 직렬 연결이 실현되어 있다.
엔드 프레임들(6) 안의 슬리브들(30)을 통해, 각각 첫 번째 및 마지막 전지(2)의 집전체(36)는 첫 번째 또는 마지막 압축 패널(8)과 연결되어 있다. 압축 패널들(8)은 전도성 재료로 제조되어 있고, 그러므로 전지 블록(1)의 단자들을 의미한다.
타이로드(10)는 적합한 수단, 예컨대 코팅, 또는 절연 재료로 만들어진 연속적인 슬리브를 통해, 전도성 부품들 또는 전위를 가진 부품들, 즉 집전체들(36), 압축 패널들(8) 및 접촉 슬리브들(contact sleeves)(30)에 대해 전기적으로 절연되어 있으며, 그리고 단락이 효과적으로 저지된다. 추가적으로, 타이로드(10)와, 그에 의해 관통된 부품들 사이에는 간격이 제공되어 있을 수 있다. 도면에 상세히 도시되어 있지는 않지만, 프레임들(4, 6)과 압축 패널들(8)과 저장 전지들(2)은 방사상으로 정의된(defined) 위치에 유지되어 있다; 센터링(centering)을 위한 적합한 수단은 예컨대 정렬 핀들(alignment pins)이거나, 또는 적층되어 있는 부품들의 기하학적으로 상응하여 맞춰진 형태화이다. 마찬가지로 도면들에 상세히 도시되어 있지는 않지만, 압축 패널들(8)에 대한 너트들(12)의 적합한 절연이 제공되어 있다; 이는 예컨대 절연 디스크들 또는 칼라 부싱들(collar bushings)을 통해 수행될 수 있고, 상기 칼라 부싱들의 원통형 섹션들은 각각의 압축 패널(8)의 구멍(42) 안으로 돌출한다.
도 5로 되돌아가 보면, 여기에는 각각 저장 전지들(2)의 양(positive) 집전체(36)(+) 상에 부착되어 있는 센서 요소들(40)이 적층 방향으로 교대하는(alternating) 측면들에 배치되어 있는 것이 도시되어 있다. 이렇게 하여, 각각 센서 요소들(40)의 연결부 단부와 연결되어 있는 공급 라인들 또는 저 전압 케이블들(18)의 2개의 가닥은 프레임들(4, 6)의 노치들(24)의 결합에 의해 형성된 공급채널들(16)(도 1 및 도 4 참조)을 통해, 그리고 전방 압축 패널(8)의 개구부들(20)을 관통하여 바깥쪽으로, 상세히 도시되어 있지 않은 제어 장치 쪽으로 뻗어 있다.
마지막으로 도 6에는 2개의 인접한 저장 전지들 사이의 평면에서 절단된, 도 1로부터의 전지 블록의 단부면쪽 도면이 도시되어 있다. 여기에서는, 센서 요소들(40)(상부 연결부 단부만 보인다)의, 그리고 노치들(24)에 의해 형성된 공급채널들(16) 안의 공급 라인들(18)의 위치가 전지 스택의 단부면으로부터 도시되어 있다.
이로써 상기에서는 전기 에너지 저장 장치의 적어도 하나의 실시예가 기술되어 있고, 상기 전기 에너지 저장 장치는 본 발명에 따르면 마주하고 있는 평평한 집전체들을 가진, 전기 에너지를 저장 및 방출하기 위한 다수의 평평한 저장 전지들, 상기 저장 전지들을 유지시키기 위한 다수의 프레임 요소들, 및 스택이 되도록 상기 전지들을 상기 프레임 요소들과 클램핑하기 위한 클램핑 수단을 구비하며, 이때 각각의 저장 전지는 적어도 하나의 물리적 변수, 특히 온도 및/또는 전압을 측정하기 위한 적어도 하나의 측정 또는 센서 요소를 지니고 있고, 상기 각각의 측정 또는 센서 요소에는 측정 데이터를 전달하기 위한 케이블이 부착되어 있으며, 상기 프레임 요소들은 상기 측정 또는 센서 요소들을 수용하기 위한 제 1 리세스들, 및 상기 제 1 리세스들과 연결되어 있는 제 2 리세스들을 구비하고, 상기 프레임 요소들의 상기 제 2 리세스들은 함께, 케이블들을 수용하기 위해 상기 장치의 길이에 걸쳐 뻗어 있는 적어도 하나의 채널을 형성한다.
상기 전지 블록(1)은 본 발명의 맥락에서 전기 에너지 저장 장치이다. 상기 엔드 프레임들(4)과 상기 중간 프레임들(6)은 본 발명의 맥락에서 프레임 요소들을 위한 예들이다. 상기 타이로드들(10)과 상기 너트들(12)은 본 발명의 맥락에서 클램핑 수단을 위한 예들이다. 상기 압축 패널들(8)은 본 발명의 맥락에서 압축 엔드 피스들을 위한 예들이다. 상기 센서 요소(40)는 본 발명의 맥락에서 측정 또는 센서 요소를 위한 예이다. 상기 오목부(26)는 본 발명의 맥락에서 제 1 리세스를 위한 예이며, 상기 노치(24)는 본 발명의 맥락에서 제 2 리세스를 위한 예이다. 상기 공급채널(16)은 본 발명의 맥락에서 채널을 위한 예이다. 상기 개구부(20)는 본 발명의 맥락에서 관통구멍을 위한 예이다. 상기 저 전압 케이블들(18)은 본 발명의 맥락에서 케이블을 위한 예들이다.
본 발명의 본질적인 특징들이 상기에서 구체적인 실시예들을 근거로 설명되었을지라도, 본 발명이 이 실시예들에 제한되어 있는 것이 아니라 특허 청구항들에 의해 정해져 있는 범위 및 영역 안에서 변경 및 확대될 수 있음이 당연하다.
도면들에 도시되어 있는 저장 전지들(2)의 직렬 연결이 실무상 특히 중요하다. 하지만 중간 프레임들(4) 안에서의 전지들(2) 및 접촉 슬리브들(30)의 상응하는 배열을 통해 병렬 연결, 또는 병렬 및 직렬 연결의 조합도 실현 가능하다.
전지 블록의 내부에서 또는 이격 요소들에 대해 전지들(2)을 방사상으로 센터링하기 위한 센터링 장치(centering device)가 제공되어 있을 수 있다. 이러한 센터링 장치는 예컨대 정렬 핀들, 및 이격 요소들 및 집전체들 안의 정렬 구멍들에 의해 또는 다른 조치들에 의해 실현되어 있을 수 있다.
변경에 있어서, 측정 및 제어를 개선하기 위해, 측정 또는 센서 요소들(40)은 각각의 집전체(38)에 부착되어 있다. 집전체들(38)에 측정 또는 센서 요소들(40)을 배치하는 것은 모범적인 하나의 가능한 방법이다. 하지만 구조적 또는 기능적 장점을 제공하는 한 그것들은 전지 상의 임의의 위치에 부착될 수 있다.
그 밖의 변경에 있어서, 측정 또는 센서 요소들은 각각 리벳(rivet)으로서 형성되어 있으며, 상기 리벳과 함께 측정 케이블은 케이블 단자를 통해 고정되어 있다.
그 밖의 변경에 있어서, 2개를 초과하는 타이로드들이 각각의 쪽에서 사용된다.
마지막 변경에 있어서, 타이로드들 대신 클램핑 벨트가 전지 블록을 클램핑하기 위해 사용된다.
1 : 전지 블록 2 : 저장 전지
4 : 중간 프레임 6 : 엔드 프레임
8 : 압축 패널 10 : 타이로드
12 : 너트 14 : 8 안의 창문
16 : 공급채널 18 : 저 전압 케이블
20 : 8 안의 개구부 22 : 압축면
24 : 노치 26 : 오목부
28 : 22 안의 관통구멍 30 : 접촉 슬리브
32 : 2의 액티브 부분 34 : 2의 실링 조인트
36 : 2의 집전체 ((+) 및 (-)) 38 : 14 안의 단자 구멍
40 : 센서 또는 측정 요소 42 : 8 안의 구멍
상기 참조부호 목록이 본 설명의 필수적인 구성부분이라는 점에 특히 유의하도록 한다.

Claims (16)

  1. 전기 에너지 저장 장치로서, 상기 전기 에너지 저장 장치는 마주하고 있는 평평한 집전체들을 가진, 전기 에너지를 저장 및 방출하기 위한 다수의 평평한 저장 전지들, 상기 저장 전지들을 유지시키기 위한 다수의 프레임 요소들, 및 스택이 되도록 상기 전지들을 상기 프레임 요소들과 클램핑하기 위한 클램핑 수단을 구비하며, 이때 각각의 저장 전지는 적어도 하나의 물리적 변수, 특히 온도 및/또는 전압을 측정하기 위한 적어도 하나의 측정 또는 센서 요소(measurement or sensor element)를 지니고 있고, 상기 각각의 측정 또는 센서 요소에는 측정 데이터를 전달하기 위한 케이블이 부착되어 있으며, 상기 프레임 요소들은 상기 측정 또는 센서 요소들을 수용하기 위한 제 1 리세스들, 및 상기 제 1 리세스들과 연결되어 있는 제 2 리세스들을 구비하고, 상기 프레임 요소들의 상기 제 2 리세스들은 함께, 케이블들을 수용하기 위해 상기 장치의 길이에 걸쳐 뻗어 있는 적어도 하나의 채널을 형성하는 전기 에너지 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 리세스들은 상기 프레임 요소들의 반경 방향 외측 가장자리쪽으로 열려 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    게다가 상기 적어도 하나의 채널을 폐쇄하기 위한 폐쇄 장치를 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 폐쇄 장치는 U자형 걸쇠를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치.
  5. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장 전지들은 교대하는(alternating) 단자 위치(terminal position)와 함께 상기 스택 안에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 측정 또는 센서 요소들은 각각 상기 저장 전지들의 상기 집전체들 중 적어도 하나에, 바람직하게는 동일한 극성(polarity)의 집전체들에만 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치.
  7. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전지들의 집전체들은 각각 상기 클램핑 수단에 의한 마찰 결합을 이용해 2개의 프레임 요소들 사이에 클램핑되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 클램핑 수단은 다수, 바람직하게는 4개 또는 6개의 타이로드를 구비하며, 상기 타이로드들은 상기 집전체들 및 상기 프레임 요소들 안의 구멍들을 관통하여 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 타이로드들은 전기 절연 재료로 피복되어 있거나 또는 연속적인 절연 슬리브(insulating sleeve)로 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임 요소들은 전기 절연 재료, 예컨대 유리 또는 세라믹 재료 또는 플라스틱으로 제조되어 있으며, 그리고 전기 전도성 재료로 만들어진 접촉요소들을 구비하고 있고, 상기 접촉요소들은 마주하고 있는 압축면들 간의 전기적 접촉을 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 접촉요소들은 슬리브들이며, 상기 슬리브들을 관통하여 상기 타이로드들이 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치.
  12. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택은 전도성이 있는, 바람직하게는 프레임 모양의(frame-shaped) 2개의 압축 엔드 피스들(compression end pieces)에 의해 한정되며, 상기 압축 엔드 피스들은 상기 클램핑 수단을 통해 단부쪽 프레임 요소들 상에서 상기 스택과 클램핑되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 압축 엔드 피스들은 각각 첫 번째 또는 마지막 전지의 집전체와 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 압축 엔드 피스들은 각각의 채널의 높이에 관통구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치.
  15. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장 전지들은 축전지들이며, 상기 축전지들 안에서는 특히 Li 이온들의 참여하에 전기화학적 반응이 발생하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 저장 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 전기 에너지 저장 장치에서 사용되도록 설계되어 있는 프레임 요소.
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