KR20120081132A - 전기 에너지 셀을 포함하는 차량용 구조부 - Google Patents

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KR20120081132A
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cells
structural
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팀 쇠퍼
안드레아스 구트쉬
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리-텍 배터리 게엠베하
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Abstract

차량용 구조부, 예를 들면 차량의 펜더, 플로어, 트렁크 덮개, 엔진실 커버, 도어, 또는 루프는, 복합 구조물, 특히 벌집형 구조 또는 발포체 구조와 같은 중공 셀 구조물을 포함하고, 상기 복합 구조물은 하나 이상의 캐비티를 형성하고, 그 각각은 적어도 하나, 또는 복수 개의 전기 에너지 셀을 유지함으로써, 전지 등이 컴팩트하게 차량에 수납되고, 구조물에 걸쳐 균등하게 분배될 수 있게 한다.

Description

전기 에너지 셀을 포함하는 차량용 구조부 {STRUCTURAL PART FOR A VEHICLE, COMPRISING ELECTRIC ENERGY CELLS}
본 발명은 전기 에너지 셀을 포함하는 구조부, 전기 에너지 셀 및 차량에 관한 것이다.
전기 구동장치 또는 적어도 전기 보조 구동장치를 구비한 차량은 화석 연료의 공급 감소가 예상되는 점 및 환경과 기후에 대해 증가되는 부정적인 효과를 고려하여 점점 더 관심을 끌고 있다. 전기 자동차의 승인을 위해 필수적인 것으로 간주되는 기준은, 종종 체적이 큰 저장 전지 또는 축전지의 적절하고 눈에 잘 안띄는 수납 방법이다(본 명세서에서, 자동차 엔지니어링의 표준으로서, 재충전식 축전지도 전지로 지칭됨).
특허문헌 WO 2009/021576 A1으로부터, 차체의 장착부로서 동력을 공급하는 데 능동적으로 사용되는 차량용 에너지 공급 시스템의 컴포넌트를 구현하는 방법 및/또는 그에 대응하여 그러한 컴포넌트를 차량에 힘이 작용되는 경우에 에너지 흡수 부재로서 차체에 결합시키는 방법이 알려져 있다. 이와 관련하여 에너지를 공급하는 데 기여하는 것으로 생각되는 컴포넌트는, 예를 들면, 연료 전지 또는 연료 전지 시스템의 다른 컴포넌트들, 또는 전지, 커패시터 등이다. 이 경우에 컴포넌트는 차량의 차체 내에, 예를 들면 횡량(cross member) 또는 문턱(door sill)으로서 기능적으로 결합된다.
본 발명의 목적은 차량에서 전기 에너지 저장장치의 이용 방법을 개선하는 것이다.
상기 목적은 본 발명의 독립 청구항의 특징에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 확장은 종속 청구항의 대상을 형성한다.
본 발명에 따르면, 차량용 구조부는 복합 구조물, 특히 벌집 구조 또는 발포체(foam) 구조와 같은 중공 셀(hollow cell) 구조를 가진 것을 포함하고, 상기 복합 구조물은 복수 개의 전기 에너지 셀을 각각 유지하는 하나 이상의 캐비티를 형성한다.
본 발명에 따르면, 상기 차량용 구조부에 있어서, 복수 개의 전기 에너지 셀이 유지되고, 상기 전기 에너지 셀은 전기공학적, 전자공학적 및 제어공학적 관점에서 독립형 유닛(self-contained unit)을 형성하는 방식으로 전기적으로 함께 연결되어 있다.
본 발명에 따르면, 복수 개의 전기 에너지 셀이 차량용 구조부에 유지되어 있고, 미리 설정된 상태가 발생될 때, 상기 구조부의 상기 전기 에너지 셀을 개별적으로, 그룹으로, 또는 전체적으로 차량의 에너지 공급 시스템으로부터 전기적으로 분리시키도록 설계되고 조정되어 있는 제어 장치가 제공되어 있다.
본 발명에 따르면, 복수 개의 평탄하고 구조상 독립형 전기 에너지 셀이 상기 차량용 구조부에 수납되어 있고, 상기 전기 에너지 셀은 상기 구조부의 두께 방향에 대해 본질적으로 수직인 측면으로 돌출되는 2개 이상의 집전체를 포함한다.
본 발명에 따르면, 또한 전술한 구성의 구조부 내에 설치되도록 설계되고 장착된 전기 에너지 셀이 제공된다.
본 발명에 따르면, 또한 복수 개의 상기 전기 에너지 셀로 구성되고, 전기 에너지 셀이 차량용 구조부 내에 설치되어 전기공학적, 전자공학적 및 제어공학적 관점에서 독립형 유닛을 형성하도록 전기적으로 함께 연결되어 있는, 전기 에너지 모듈이 제공된다.
본 발명에 따르면, 또한 전술한 구성으로 되어 있는 하나 이상의 구조부, 또는 전술한 구성으로 되어 있는 하나 이상의 전기 에너지 모듈을 구비한 차량이 제공된다.
본 발명에 따르면, 또한 전기 에너지를 공급하도록 설계되고 장착된 활성부를 가지고, 평탄한 형상, 바람직하게는 밀봉하는 방식으로 상기 활성부를 둘러싸는 얇은 엔클로저(enclosure) 및 전기 에너지 셀의 전극(electric pole)을 형성하는 2개 이상의 집전체를 가진 전기 에너지 셀, 특히 2차 전기적 셀이 제공되는데, 이 전기 에너지 셀은 하나 이상의 공간적 방향으로 곡선을 이룬다.
본 발명에 따르면, 또한 전기 에너지를 공급하도록 설계되고 장착된 활성부를 가지고, 평탄한 형상, 바람직하게는 밀봉하는 방식으로 상기 활성부를 둘러싸는 얇은 엔클로저 및 전기 에너지 셀의 전극을 형성하는 2개 이상의 집전체를 가진 전기 에너지 셀, 특히 2차 전기적 셀이 제공되는데, 이 전기 에너지 셀은 하나 이상의 공간적 방향으로 유연성을 가진다(pliable).
본 발명의 측면에서 구조부는 차량의 차체의 임의의 지지부 또는 패널부를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 구조부는 예를 들면 섀시 또는 차체의 일부, 또는 자가-지지 차체의 지지용 차체부를 의미할 수 있다. 특히 바람직하게는, 구조부는 평탄하고, 특히 원판형 구조물을 포함하고, 특히 차량의 펜더, 플로어, 트렁크 덥개 또는 엔진 칸막이 커버, 도어 또는 루프를 형성한다. 그러나, 구조부는 복수 개의 전기 에너지 셀을 수납할 수 있다고 가정하면, 섀시, 문틀 등이라고 생각할 수도 있다.
본 발명의 측면에서 전기 에너지 셀은 전기 에너지를 공급하도록 설계되고 장착되어 있는 임의의 장치로 이해될 수 있다. 따라서, 전기 에너지 셀은 특히 1차 또는 2차 형태의 전기화학적 저장 셀(전지 또는 축전지), 연료 전지 또는 커패시터 셀과 같은 갈바니 셀(galvanic cell)일 수 있다.
특히 바람직하게는, 전기 에너지 셀은 평탄하고, 구조상 독립형이며, 구조부의 두께 방향에 대해 본질적으로 측면으로 돌출되는 2개 이상의 집전체를 포함한다. 구조상 독립형 전기 에너지 셀이란, 본 발명의 측면에서 내부에서 충전, 방전 및 가능하게는 전기 에너지의 변환 공정이 일어나는 활성부도 포함하는 갈바니 셀과 같은 독립형 모듈로서 이해된다. 활성부는 전기화학적으로 활성인 물질, 전도성 물질 및 절연성 물질로 만들어진 스택(stack) 또는 필름층을 포함할 수 있다. 본 발명의 측면에서, 전반적으로 고려할 때, 셀은 전기 에너지 저장체로서 가동할 수 있기 위한 모든 특징을 포함하고, 셀의 활성부는 바람직하게는 기밀 방식 및 액밀 방식으로 엔클로저 또는 커버링에 의해 둘러싸이고, 커버링은 바람직하게는 포일(foil)을 포함하고, 적절한 경우에는 안정화 프레임(stabilizing frame) 또는 다른 형태의 벽 구조를 구비하는 것으로 이해된다. 이 설비에 있어서, 소위 집전체는 활성부의 내부로부터 돌출되어, 전극 영역에 도전 접속되고, 커버링을 통해 셀의 외부에 접속되고, 셀의 활성부가 서로 또는 소비자에게 접속되도록 촉진한다. 본 발명의 측면에 있어서, 평탄하다는 것은 어느 하나의 공간적 방향(일반적으로 두께 방향으로 정의됨)이 다른 두 개의 공간적 방향보다 실질적으로 작은 범위를 가지는 본체로 이해된다. 원판 형상의 본체 이외에도, 이 정의는 또한, 특히, 제한되는 것은 아니지만, 원판 형상, 새들 형상 또는 다른 곡면체도 포함한다.
특히 바람직하게는, 전기 에너지 셀의 두께는 구조부의 두께와 일치하며, 따라서 구조부의 두께 특성은 최적으로 활용될 수 있다. 전기 에너지 셀은 또한 그 자체가 만곡될 수 있으므로, 구조부의 형상을 따를 수 있다.
발생되는 모든 가스를 흡수하기 위해, 전기 에너지 셀은 팽창가능한, 다층 포일을 외측 커버링으로서 포함할 수 있다.
전기 에너지 셀은 적어도 부분적으로는 구조부에 의해 지지되기 때문에, 구조부의 형상에 훨씬 더 잘 부응할 수 있으려면, 부분적으로 가요성이거나 또는 유연성을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 특히, 제한되는 것은 아니지만, 전지 등을 컴팩트한 방식으로 차량 내에 수납할 수 있고, 구조물을 가로질러 균등하게 분배할 수 있다.
특히 바람직하게, 또는 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전기 에너지 셀은, 전기공학적, 전자공학적 및 제어공학적 관점에서, 독립형 유닛을 형성하는 방식으로 전기적으로 함께 연결되어 있다. 전기 에너지 셀은 독특하게 할당된 소비자, 바람직하게는 전기 모터, 특히 휠의 휠 허브 모터에 공급하도록(소비자의 요구 특성에 관해) 설계되고 맞추어진 (전기 에너지) 모듈을 형성할 수 있다. 그러한 모듈은 또한 손상이 일어날 경우, 차량의 에너지 공급 시스템으로부터 전기적으로 분리될 수 있고, 그 결과 에너지 공급이 중단 없이 손상된 모듈에 의해 유지될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 전기 구동장치(electric drive unit) 및 상기 전기 구동장치용 전기 에너지 저장체로서 복수 개의 전지 셀을 가지는 전동 차량이 제공된다. 전기 구동장치는 단일 전동 모터일 수 있고, 그의 구동 모멘트는 구동 휠에 걸쳐 분배된다. 구동장치는 또한, 특히 휠 허브 모터(wheel hub motor)의 형태로 하나의 구동 휠에 각각 할당되어 있는 복수 개의 전동 모터를 포함할 수 있다. 전기 구동장치는 배타적 구동장치일 수 있고, 또는 연소 기관과 함께 가동될 수 있다.
전지 셀은 바람직하게는 2차 셀(즉, 실제로 축전지 셀이되, 자동차 공학에서는 전지라고도 함), 특히 리튬-이온 셀, 리튬-폴리머 셀 등이다.
차량은 경량 설계에 있어서 구조부를 포함한다. 본 발명의 측면에서 구조부는 구조적 하중부(weight-bearing part), 비하중 패널부 및 자가-지지 차체부인 것으로 이해된다. 구조부는 특히, 도어, 엔진실과 트렁크 덮개, 플로어 셸, 루프, 펜더, 내벽, 섀시부, 문틀 등일 수 있다. 경량 설계는 특히 벌집형 구조 또는 그와 유사한 중공 셀 구조로 실현되고, 외부 스킨에 의해 한정되는 삼차원 구조에 대해 안정성을 부여한다.
전지 셀은 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전히, 경량 구조물 내 캐비티에 수납된다. 캐비티 역할을 할 수 있는 것들로는, 벌집형 셀 등이거나, 또는 중공 셀이 전지 셀의 크기보다 작은 경우에는, 중공 셀 구조물 내에 특수하게 제공되고 구성된 리세스(recess)이다. 이러한 수단에 의해, 구조부의 체적 중 상당한 부분이 전지를 유지하는 데 이용될 수 있다. 엔진실, 트렁크 또는 객실과 같은 차량 내 이러한 체적은 다른 목적에 사용되도록 개방된다. 특히, 차량 내부 또는 심지어 루프 위, 또는 트레일러의 전지를 위해 제공되는 공간은 최소화되거나, 심지어는 완전히 배제된다. 이전에 비어 있던 공간으로서 여하튼 구조부에 존재하는 공간은 실제 목적을 위해 적용된다. 전지의 중량은 차량 구조물에 걸쳐 분배되는 것이 유리하다.
전지 셀은 일반적으로 몇개의 필름층으로 구성되며, 필름층은 전기적 또는 전기화학적으로 활성인 전극 물질, 세퍼레이터 물질 및 도체 물질과 적절한 시퀀스로 배열된다. 필름 패킷(packet)은 기밀형 및 액밀형이 되도록 엔클로저에 의해 둘러싸인다. 엔클로저는 전형적으로 용접된 포일을 사용하여 구현되고, 바람직하게는 다층 구조이다. 2개 이상의 집전체가 각각의 경우에 한 형태의 전극의 도체 물질에 연결되고, 셀의 내부로부터 외부로 엔클로저를 통해 돌출되어, 접촉용으로 이용될 수 있다.
전지 셀은, 프레임 평판셀(frame flat cell), 파우치 셀 또는 커피백 셀과 같은 프리즘형 셀, 또는 비교적 큰 면적을 가진 플레이트 셀로서 구현된다. 구조부 내의 집전체 및 접촉 장치는 전지 셀의 측면을 따라, 또는 측면으로부터 이격하여 배치된다. 이러한 접속부는 전혀 두께를 증가시키지 않으며, 구조부의 두께는 전지 셀의 전기적 또는 전기화학적으로 활성인 부분을 수납하기에 최적으로 활용될 수 있다. 셀은 클램핑(clamping) 장치 또는 텐셔닝(tensioning) 장치에 고정되고, 클램핑 장치는 또한 접촉 장치일 수도 있어서, 집전체용 전기적 접촉을 제공하는 역할도 한다. 접촉 장치는 또한 구조 엘리먼트 및 전지 셀 자체를 보강하는 역할을 할 수도 있다.
크기와 형상, 특히 표면적과 두께 또는 단면에 있어서, 셀은 각각의 구조부 내의 활용가능한 공간에 부합된다. 특히, 셀은 볼록형이나 오목형 중 어느 하나의 곡면 형상을 가진다.
전지 셀은 전기공학, 전자공학 및 제어공학 측면에서 중요한 단위를 형성하도록 구조부 내에 함께 권취되고, 특히 그러한 유닛은 전압 및 전하 저장 용량과 같은 사전 설정된 전기적 성질을 포함한다. 따라서, 전지 셀을 구비한 구조부는 본질적으로 중요하고 교환가능한 모듈을 형성한다. 따라서, 예를 들면 사고 후, 손상된 모듈은 전기적 관점에서 볼 때 다른 모듈에 영향을 주지 않고 교환될 수 있다.
본 구현예의 확장에 있어서, 하나의 유닛을 형성하도록 연결되어 있는 구조부의 전지 셀은 특정한 소비처에 할당된다. 예를 들면, 우측 전방 펜터, 승객 도어 및 전방 트렁크 덮개 또는 엔진실 커버는 우측 전방 휠의 휠 허브 모터에 할당되는 3 전지 모듈을 형성한다. 마찬가지로, 좌측 전방 펜터, 운전석의 도어 및 플로어 셸은 좌측 전방 휠의 휠 허브 모터에 할당되는 3 전지 모듈을 형성한다. 동일한 방식으로, 우측 후방 펜터, 우측 전방 승객 도어 및 후방 트렁크 덮개 또는 엔진실 커버는 우측 후방 휠의 휠 허브 모터에 할당되는 3 전지 모듈을 형성한다. 또한, 좌측 후방 펜터, 좌측 승객 도어 및 차량 루프는 좌측 후방 휠의 휠 허브 모터에 할당되는 3 전지 모듈을 형성한다. 마지막으로, 트렁크 또는 엔진실 사이의 벽, 섀시부, 충격 흡수장치 등은, 조명, 가열/냉각 시스템, 컨트롤러, 스티어링 서보(steering servo), 네비게이션, 오디오/비디오 등과 같은 다른 소비처에 할당되는 전지 모듈을 형성한다. 그에 따라, 그러한 모듈 등이 고장나거나 부분적으로 고장날 경우에, 작동상 안전성을 증가시킬 수도 있다.
바람직한 구현예에 있어서, 사전 설정된 상태가 발생될 때 모듈의 스위치를 끄거나 우회시키기 위해, 중앙 또는 국소적 제어부가 제공되고, 장착되고, 프로그렘된다. 사전 설정된 상태는, 예를 들면, 외부적 손상 및/또는 전기적 고장일 수 있다. 따라서, 예를 들면 사고 후에, 손상된 모듈은 다른 모듈에 영향을 주지 않고 전기적 어셈블리로부터 제거될 수 있다. 다른 모듈은, 적절한 경우, 고장난 모듈의 기능을 담당할 수 있다. 사전 설정된 상태가 존재하는지 여부를 판정할 수 있으려면, 온도 센서, 전압 센서, 변형 게이지 등과 같은 적절한 센서가 제공되는 것이 바람직하다.
또 다른 바람직한 구현예에 있어서, 필요한 전지 모듈들 사이에서, 사전 설정되거나 사전 설정가능한 기준에 따라 전하 평형화(charge equalisation)를 실행하기 위해 중앙 제어부가 제공되고, 장착되고, 프로그램된다. 따라서, 예를 들면 어두운 상태, 특히 야간에, 장거리 여행시 조명, 특히 상향 전조등 및/또는 안개등이 사용될 때, 조명에 할당된 전지 모듈의 충전 상태가 사전 설정된 문턱값 미만으로 떨어지면, 전하는 다른 전지 모듈로부터 조명에 할당된 전지 모듈로 이전될 수 있다. 동일한 방식으로, 예를 들면, 동절기 여행시, 가열에 할당된 전지 모듈의 충전 상태가 사전 설정된 문턱값 미만으로 떨어지면, 전하는 다른 전지 모듈로부터 가열에 할당된 전지 모듈로 이전될 수 있다. 다른 전지 모듈에 대해서도 동일한 기준이 적용될 수 있다.
모듈의 전압은 제한되어 있거나 제한될 수 있다. 바람직하게는, 모듈의 전압은 7.2V 내지 36V의 경량 전동 차량에 있어서 48V 내지 150V 범위이다. 모듈의 전압은 개별적 셀의 전압의 합이고, 이것은 리튬 시스템의 경우에, 예를 들면 2.7V 또는 3.6V 내지 5V에 달할 수 있다. 특히 바람직하게는, 모듈의 전압은 표준 소비처, 특히 휠 허브 모터의 수요에 적합하게 설계된다.
바람직한 구현예에 있어서, 전지 셀은 2원 셀(binary cell)로서 구현된다. 2원 셀이란, 공통의 하우징에 2개 이상의 전극 스택을 포함하는 전지를 설명하기 위해 사용되는 용어이다. 2개의 전극 스택은 바람직하게는 상이하게, 특히 상이한 전기적 성질로 구현된다. 2원 셀에 의해, 얻고자 하는 전기적 성질이 특히 컴팩트한 형태로 실현될 수 있다. 특히, 단일 셀로 얻어지는 것보다 더 높은 셀 전압을 얻을 수 있다. 2원 셀의 경우에, 12V 이하의 셀 전압을 얻을 수 있다.
또 다른 바람직한 구현예에 있어서, 전지 셀은 구조부의 형상에 밀접하게 맞추어지도록 구현된다. 특히, 전지 셀은 유연하고, 엔클로저는 넓은 면적에 걸쳐 구조부와 접촉되어 있다. 따라서 구조부는 전지 셀을 지지하고, 셀에 대한 적어도 부분적인 컨택트를 형성한다.
또 다른 바람직한 구현예에 있어서, 전지 셀의 엔클로저는 탄성 필름으로 형성된다. 따라서, 내부에서 가스 방출에 의해 초래되는 셀의 체적 변화가 흡수될 수 있다. 또한, 구조부에 팽창을 위한 공간이 제공된다면 손상이 방지될 수 있다. 그 결과 작업 안전성이 더욱 증가될 수 있다. 사용되는 필름의 가요성이 섹션에서 제공될 수 있다. 필름의 가요성은 또한 특별히 얇은 필름에 의해 얻어질 수도 있다. 셀은 구조부에 의해 지지되기 때문에, 필름은 통상적 커피백(coffee-bag) 셀 등에 사용되는 것보다 더 얇을 수 있다. 탈기 공간(degassing space)이 형성되지만, 다른 셀에 대해 캐스케이드 효과로 이어질 수 없고, 이것은 특히 2원 셀이 사용될 때에도 적용된다. 충돌이 발생시, 복합 물질은 또한 스파크 형성, 또는 파괴된 전지로부터 통제불능 상태로 누출되는 물질 또는 고온의 가스를 방지할 수 있는데, 그러한 것들은 일종의 에어백 등에 포집되기 때문이다.
바람직한 구현예에 있어서, 바람직하게는 구조 엘리먼트 내에 적층되어 있는 셀 성분들은 구조 엘리먼트를 히트-싱크(heat-sink)로서 이용한다.
이상과 같이 본 발명을 구체적인 바람직한 예시적 구현예 및 그의 확장을 참조하여 본질적인 특징에 대해 기재하였지만, 본 발명은 이러한 예시적 구현예에 제한되지 않고, 예를 들면 배타적인 젓은 아니지만, 이하에 기재하는 바와 같이 특허청구범위에 의해 한정되는 범위 내에서 변형 및 확장될 수 있는 것으로 이해된다.
본 발명에 의하면, 차량용 전기 에너지 저장장치를 효율적으로 이용할 수 있다.
차체부는 또한 경량 설계 방식 대신에 통상적 방식으로 제조될 수도 있다. 예를 들면, 차체부는 외부 금속 시트, 내부 클래딩 및 가능하게는 리브(rib) 또는 스트린저(stringer) 형태로 된 소정 개수의 보강 부재(stiffening member)를 포함할 수 있다. 그러한 경우에, 전지 셀은 보강 부재들 사이의 갭에 수납되고 장착될 수 있다.
셀의 평탄한 측면 중 한쪽 또는 양쪽에 설치되어 있는 집전체 또는 폴을 가진 전지 셀이 사용될 수도 있다. 그러한 경우에, 집전체는 평면 케이블 또는 테이프 접촉에 의해 접촉된다. 이 방식으로, 접촉 수단에 의해 두께의 증가가 제한될 수 있다.
전술한 바에 따르면, 전지 셀은 홀더에 있는 구조부 내에 클램프 고정된다. 이 클램프 고정은 셀이 다시 제거될 수 있도록 이완가능하게 되어 있다. 대안으로서, 셀은 이완될 수 없는 방식으로 구조부에 내장되고, 특히 구조부 내에 적층된다. 이 경우에, 접촉 수단도 적층되어 있을 수 있다. 그러한 설계는 무엇보다도 통합 수준을 증가시킬 수 있으며, 그에 따라 또한 유지보수가 단순화될 수 있다.
상기 구현예에 대해 기재된 모든 확장 및 변형은 기술적으로 불가능한 경우를 제외하고는 서로 결합될 수 있는 것으로 이해된다.
본 발명은 모든 형태의 차량에 적용될 수 있으므로, 특히, 제한되는 것은 아니지만, 전동 차량(powered vehicle), 오토바이, 수상 운송수단, 항공기 등에도 적용된다.
전술한 고찰은 또한 전기 동력의 차량에 한정되는 것이 아니고, 특정 범위의 공간을 필요로 하는 전기 에너지 저장장치가 있는 곳, 그리고 전술한 바와 같이 구성될 수 있는 구조 엘리먼트가 활용될 수 있는 곳이면 어디에나 적용될 수 있다. 이러한 것들의 예는 발전, 분배 및 공급 장치로서, 예를 들면 적합하게 설계된 벽, 플로어, 천장, 플랫폼 등에 저장 및 백업 전지가 수납될 수 있는 장치들이다.
전지 또는 재충전식 전지 이외에도, 커패시터, 슈퍼캡(Supercap), 연료 전지 등도 전기 에너지 셀로서 사용될 수 있는 것으로 생각된다.
전지는, 예를 들면 양호한 중력의 후방 중심을 제공하기 위해 덮개 하부에 있는 홀딩 장치에 걸쳐 분배되거나, 균일한 분포로 휠에 할당되어 있는 모듈로서 삽입될 수도 있다. 여기서, 전지는 차량 설계의 부하 요건에 따라 본질적으로 자유롭게 재배치될 수 있지만, 결함이 있는 경우에 1개 또는 2개의 백업 팩이 항상 활용가능하거나 또는 이의 역일 수 있음을 알 수 있다. 자유로운 재배치성(relocatability)의 목표와 유사한 것으로서, 차체는 전지용 복수 개의 홀딩 장치 및/또는 외부에서 접근가능하고 커버가능한 칸막이를 구비할 수 있다. 이들 홀딩 장치 및/또는 칸막이는 차량의 중력 중심의 목표로 하는 위치에 따라 전지를 설치하는 것이 바람직하다.
차량 상부, 상면 또는 내부의 솔라 필름 또는 솔라 모듈은 독립적으로 파워를 공급할 수 있고, 그 파워는 차량이 태양광 중 야외에 있을 때에도 전지 모듈의 배기용으로 사용되거나, 또는 동절기에는 예열용으로 사용된다. 구동 상태에 있어서, 선택적으로 냉각제 또는 공기 유통이 추가로 사용될 수 있다.
몇몇 차량 모델에 있어서는, 후미등과 함께, 또는 후미등 뒤에서 좌우로 삽입되는데, 그것은 몇몇 경우에, 배기 머플러 또는 배기 시스템이 있었던 영역까지, 펜더를 따라 또는 소정 각도로 경사지거나 또는 트렁크 내로 하향하여 활용될 수 있기 때문이다. 그 범위를 확장하기 위한 추가적 연소 기관을 구비한 전동 차량에 있어서(예; Mercedes사에 의한 Range Extender를 구비한 소위 E-Cell-Plus 디자인의 경우), 이것은 모듈이 대부분 위쪽으로 또는 똑바로 삽입되는 헤드램프 영역의 전방에서 가능할 수도 있다. 또한, 전지 셀은 C자형 지주(pillar)에 내장되거나 삽입될 수 있다.
예를 들면 Range Extender를 가동하기 위해서, 또는 부스터 효과(단시간 고도의 가속화)를 높이기 위해서, 고출력 버전의 하나 이상의 모듈을 설치하는 것도 가능하고, 선택적으로 이것은 에너지 회복을 위해 이용될 수 있다.
저전압 온-보드 네트워크 어플리케이션(on-board network application)은 고전압 전지 어셈블리에 의해 가동되고 공급될 수 있다. 즉, 모듈 또는 서브-어셈블리의 일부는 주된 전지 어셈블리보다 낮은 전압 레벨에서 가동된다. 이러한 목적에서, 예를 들면, 필수적인 것은 아니지만 약 14V의 온-보드 전압을 제공하기 위해, 소수의 셀이 직렬로 연결되어 서브-전지를 형성할 수 있다. 병렬로 연결된 복수의 상기 커넥션은 예를 들면 일정한 14V로 가동될 수 있다. 그러한 서브-전지는, 예를 들면, 순전히 전기적으로 하기 두 그룹으로 세분될 수 있다: 온-보드 전압용의 2?4개의 셀, 가능하게는 2극성(bipolar) 셀, 및 구동 모터에 공급하기 위한 "고전압"용의 많은 수, 예를 들면 10?35개의 셀 또는 2극성 셀.
따라서, 2 또는 4개, 또는 10?35개의 모듈로부터, 14V를 가진 온-보드 네트워크 레벨 또는 예를 들면 300V를 가진 고전압 레벨이 재생될 수 있고, 이것은 존재하는 임의의 온-보드 교류발전기(alternator)가 매우 효율적으로 설계될 수 있게 하고, 그에 따라 차량의 전반적 효율에 기여할 수 있게 한다. 온-보드 교류발전기는 연소 기관 또는 유사하게 바이시클 다이나모(bicycle dynamo)의 부재시에, 온-보드 전압 공급을 제공할 수 있다. 상기 설명에 따른 서브-전지의 세분에 의해, 온-보드 교류발전기는 더 작은 치수를 가질 수 있고, 또는 심지어 완전히 배제될 수 있다.
추가의 전압 레벨을 결합시킬 수 있고, 또는 예를 들면 차량의 부하 경우에 균형을 잡기 위해 파워 및 에너지 모듈을 조합할 수도 있다.
태양열 동력의(solar-powered) 환풍기에 의해, 이전된 구역(dislodged bay)의 전지 모듈은 공기로 환기될 수 있다. 상부에서 개방되어 있는 구역으로 물이 유입되는 경우에 대비하여, 상기 구조물은 유입된 물이 보호된 전지 컨택트를 우회하도록 설계되어 있다.
또 다른 변형예에 있어서, 서브-전지는 가능하게는 기계적으로 지지되는 방식으로 외부로부터 교환될 수 있는 방법이 제공될 수 있다. 이를 달성하기 위해, 서브-전지는 외부로부터 접근할 수 있는 커버형(coverable) 칸막이에 의해 수납될 수 있다. 이 서브-전지의 벽은 동시에 이 컨막이의 덮개를 형성할 수 있다. 그러한 해법은 또한 셀 또는 모듈 전지가 낮은 유동 저항을 나타내도록 하기 위해 공기역학적으로 최적화되어 배치되는 점을 특징으로 나타낼 수 있다. 이러한 목적에서, 덮개의 형상은 공기 와류(vortex)를 방지하기 위해 차체 또는 외부 스킨의 인접한 부분에 적합하게 맞추어질 수 있다. 덮개는 냉각 팬을 포함할 수도 있다.
이러한 형태의 재충전식 전지는, 고전압 또는 아크(arc)로 인해 문제가 발생되지 않도록, 에너지 관리 시스템 및 BMS가 방출 모드(release mode)를 통해 이것을 가능하게 한 경우에, 수동적으로 또는 메커니즘/로봇에 의해 신속한 교환 또는 추출을 보장한다. BMS는, 예를 들면, 전지가 지나치게 고온일 때 안전상의 이유에서, 장치를 제거할 수 없게 할 수 있다.
모듈/셀은 또한, 모듈/셀들이 제거될 때, 고전압이 제공되지 않도록 구현될 수 있다.
셀 또는 모듈은, 예를 들면 모듈 이벤트(module event)를 저장하고 미리 전지 관리 시스템(BMS)에 전달하는 RFID를 통해, 전자적으로 확보되고 모니터될 수 있다. 따라서, 모듈이 개방되거나 조작된 후, BMS는 보안 체크에서 이것을 확립할 수 있다.
프린터 카트리지의 경우와 같이, 구조적 수단을 이용하여 적합한 전지만이 정확하게 삽입될 수 있도록 보장할 수 있다. 따라서, 대체 테스트 모드에 있어서, BMS는 삽입에 앞서 적합성에 대해 신규 또는 대체 모듈을 테스트할 수 있고, 그것들을 차량에서 가동될 수 있게 하거나, 예를 들면 에너지 관리 시스템을 통해 스테이트-오브-헬스(state-of-health) 모니터링을 실행하고, 그 결과를 작업자에게 표시할 수 있다. 전하의 밸런싱 및 균등화가 실행될 수 있고, 그에 따라 전지는 가능한 한 균일하게 차량 전지 어셈블리에 결합된다.
삽입 전에 교환될 전지 모듈의 BMS에 대한 이러한 통신은 RFID 또는 그와 유사한 수단에 의해 이루어질 수 있고, 그 결과 적절하게 식별된 전지 어셈블리 모듈만이 시스템에 의해 허용되거나 거절된다. 탬퍼링(tampering)을 방지하기 위해, 삽입은 전기적으로, 기계적으로, 또는 그와 유사한 방식으로 선택적으로 무력화된다.
환풍기가 장착되고, 하부 또는 한 쪽면, 바람직하게는 전방으로부터 공기가 취입되는 개구부에 의해 샌드위치 플로어(더블 차량 플로어)에서 환기(ventilation)가 이루어질 수 있다. 오로지 비상시에만, 예를 들면 위험이 존재할 때, 재충전식 전지로부터의 에너지가 이러한 목적으로 사용된다.
사고가 발생할 경우, 전지는 가스가 갇히거나 열을 전달하지 못하는 내열성 커버, 발포체 엔클로저 또는 전지 에어백에 고정될 수 있다. 따라서, 모듈은 위험성 없이 회수될 수 있고, 오염이 발생되지 않을 수 있다.
차량에 있어서, 재충전식 전지는 선반 배열로 적층되거나, 세워지거나 눕혀진 위치로 배열될 수 있으므로, 덮개/후드 또는 신발장-찬장형 배열 또는 회전형 선반(기계적으로, 전기-기계적으로 또는 다른 수단에 의해 억제되는)을 개방하는 사람은 누구나 용이하게 모듈에 접근할 수 있다.

Claims (25)

  1. 복합 구조물을 포함하고, 특히 벌집형 구조 또는 발포체 구조와 같은 중공 셀 구조를 가진, 차량용 구조부(structural part)로서,
    상기 복합 구조물은 하나 이상의 캐비티를 형성하고, 각각의 캐비티는 1개 또는 복수 개의 전기 에너지 셀을 유지하되, 미리 설정된 상태가 발생되면 상기 구조부의 전기 에너지 셀을 개별적으로, 그룹으로 또는 전체적으로 차량의 에너지 공급 시스템으로부터 전기적으로 분리시키고, 상기 미리 설정된 상태는 상기 구조부의 미리 설정된 구조적 상태인, 차량용 구조부.
  2. 제1항에 있어서,
    전기공학적, 전자공학적, 및 제어공학적 관점에서, 폐쇄된 유닛(closed unit)을 형성하도록, 상기 전기 에너지 셀들이 전기적으로 함께 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 구조부.
  3. 복수 개의 전기 에너지 셀을 유지하는 차량용 구조부로서,
    상기 전기 에너지 셀은, 전기공학적, 전자공학적, 및 제어공학적 관점에서, 폐쇄된 유닛을 형성하도록, 상기 전기 에너지 셀들이 전기적으로 함께 연결되어 있는 것을 특징으로 하는
    차량용 구조부.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    하나의 유닛 내에 조합된 상기 전기 에너지 셀들은, 개별적으로 할당된 소비처(consumer)에 공급하도록 설계되고 조절되어 있는 모듈을 형성하는 것을 특징으로 하는 차량용 구조부.
  5. 제4항에 있어서,
    미리 설정된 상태가 발생되면, 개별적으로 상기 차량의 에너지 공급 시스템으로부터 상기 모듈을 전기적으로 분리시키도록 설계되고 조절되어 있는 제어 장치가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 구조부.
  6. 복수 개의 전기 에너지 셀을 유지하는 차량용 구조부로서,
    미리 설정된 상태가 발생되면, 개별적으로, 그룹으로 또는 전체적으로, 상기 차량의 에너지 공급 시스템으로부터 상기 구조부의 상기 전기 에너지 셀을 전기적으로 분리시키도록 설계되고 조절되어 있는 제어 장치가 제공되어 있는,
    차량용 구조부.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 전기 에너지 셀의 가동 상태 및/또는 상기 구조부의 구조적 상태를 검출하도록 설계되고 조절되어 있고, 상기 미리 설정된 상태는 전기 에너지 셀 또는 전기 에너지 셀들의 군의 미리 설정된 가동 상태, 또는 상기 구조부의 미리 설정된 구조적 상태인 것을 특징으로 하는 차량용 구조부.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 셀은, 평탄하고, 구조상 독립형(self-contained)이고, 상기 구조부의 두께 방향에 대해 본질적으로 수직인 측면으로 돌출되는 2개 이상의 집전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 구조부.
  9. 복수 개의 평탄하고, 구조상 독립형인 전기 에너지 셀을 유지하는 차량용 구조부로서,
    상기 전기 에너지 셀은, 상기 구조부의 두께 방향에 대해 본질적으로 수직인 측방향으로 돌출되는 2개 이상의 집전체를 포함하는,
    차량용 구조부.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 전기 에너지 셀이 클램핑 장치에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 구조부.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조부가, 평탄하거나 원판 형상의 구조물을 포함하고, 특히 차량의 펜더, 플로어 플레이트 또는 플로어 셸, 트렁크 덮개 또는 엔진실 커버, 도어 또는 루프를 형성하는 것을 특징으로 하는, 차량용 구조부.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 셀이 상기 구조부의 구조물 내에 적층되어 있는 것을 특징으로 하는, 차량용 구조부.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 셀이 프리즘형, 플레이트 형상 또는 평탄한 뼈대(framework) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는, 차량용 구조부.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 셀의 두께가 상기 구조부의 두께와 대등한 것을 특징으로 하는, 차량용 구조부.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 셀을 제어하는 제어 장치가 상기 구조부에 유지되는 것을 특징으로 하는, 차량용 구조부.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 셀이, 팽창가능한 다층 포일(foil)을 외측 커버로서 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량용 구조부.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 셀이 부분적으로 가요성이거나 유연성을 가지는(pliable) 것을 특징으로 하는, 차량용 구조부.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 에너지 셀이 공간적으로 만곡된 것을 특징으로 하는, 차량용 구조부.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 구조부에 설치하도록 설계되고 장착되어 있는 전기 에너지 셀.
  20. 제19항에 따른 복수 개의 전기 에너지 셀로부터 조립되는 전기 에너지 모듈로서,
    상기 전기 에너지 셀은 차량용 구조부에 설치되고, 전기공학적, 전자공학적, 및 제어공학적 관점에서, 폐쇄된 유닛을 형성하도록 전기적으로 함께 연결되어 있는,
    전기 에너지 모듈.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 전기 에너지 모듈이, 차량의 구동 유닛으로서 역할을 하는 하나 이상의 전기 모터에 공급하기 위한 구동 전지(traction battery) 또는 구동 전지의 일부로서 설계되고 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 모듈.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 전기 에너지 모듈이 소비처에 할당되고, 상기 소비처의 수요 특성을 감안하여 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 모듈.
  23. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 구조부 및/또는 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 전기 에너지 모듈을 구비하는 차량.
  24. 전기 에너지를 공급하도록 설계되고 장착된 활성부를 가지며, 평탄한 형상, 바람직하게는 상기 활성부를 밀봉 방식으로 둘러싸는 얇은 엔클로저(enclosure), 및 전기 에너지 셀의 전극을 형성하는 2개 이상의 집전체를 구비하는 전기 에너지 셀, 특히 전기적 2차 셀로서,
    적어도 하나의 공간적 방향으로 만곡되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 셀.
  25. 전기 에너지를 공급하도록 설계되고 장착된 활성부를 가지며, 평탄한 형상, 바람직하게는 상기 활성부를 밀봉 방식으로 둘러싸는 얇은 엔클로저, 및 전기 에너지 셀의 전극을 형성하는 2개 이상의 집전체를 구비하는 전기 에너지 셀, 특히 전기적 2차 셀로서,
    유연성을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 셀.
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