KR20140016326A - 에너지 저장 장치 - Google Patents

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KR20140016326A
KR20140016326A KR1020137026730A KR20137026730A KR20140016326A KR 20140016326 A KR20140016326 A KR 20140016326A KR 1020137026730 A KR1020137026730 A KR 1020137026730A KR 20137026730 A KR20137026730 A KR 20137026730A KR 20140016326 A KR20140016326 A KR 20140016326A
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cell
cells
thermally conductive
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KR1020137026730A
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팀 섀퍼
옌스 마인츠셀
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리-텍 배터리 게엠베하
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Abstract

본 발명은 다수의 저장 전지, 저장 전지들의 클램핑을 위한 클램핑 장치 및 저장 전지들 또는 저장 전지들로 형성된 전지 어셈블리의 온도 조절을 위한 온도 조절 장치를 포함하는 에너지 저장 장치에 관한 것이다. 클램핑 장치는 온도 조절 장치의 기능 부품으로서 설계되고 구성된다. 본 발명에 따른 에너지 저장 장치에서 사용하기에 적합한 저장 전지 및 열 전도 소자가 설명된다.

Description

에너지 저장 장치{ENERGY STORAGE DEVICE}
본 출원은 우선권 출원 DE 10 2011 013 618의 전체 내용을 참조로 포함한다.
본 발명은 다수의 저장 전지, 저장 전지들의 클램핑을 위한 클램핑 장치 및 저장 전지들 또는 저장 전지들로 형성된 전지 어셈블리의 온도 조절을 위한 온도 조절 장치를 포함하는 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
자동차, 특히 하이브리드 드라이브를 구비한 자동차 또는 전기 자동차에서 사용하기 위한 배터리는 직렬 및/또는 병렬로 전기 접속된 다수의 전지, 예컨대 리튬 이온 전지를 포함하는 것이 공지되어 있다.
발생하는 손실 열을 방출하기 위해 전지는 자주 냉각되어야 한다. 이를 위해 냉각제 회로에 의한 간접적인 냉각 또는 전지들 사이로 안내되는 예비 냉각된 공기에 의한 직접적인 냉각을 이용하는 것이 공지되어 있다. 냉각제 회로에 의한 냉각 시 배터리의 전지 블록에 냉각제가 관류하는 금속 플레이트는 대개 전지 아래에 배치될 수 있다. 손실 열은 예를 들어 별도의 열전도 부재, 예컨대 열전도 로드 또 는 열전도 박판을 통해, 또는 전지의 적절히 두꺼워진 전지 하우징 벽을 통해 전지로부터 냉각 플레이트로 안내된다. 대개 전지의 전지 하우징은 금속으로 구현되고, 상기 하우징에 전압이 인가한다. 단락을 방지하기 위해 냉각 플레이트는 전기 절연부, 예를 들어 열전도 포일, 성형물, 캐스팅 화합물 또는 냉각 플레이트 상에 제공된 코팅 또는 포일에 의해 전지 하우징으로부터 분리된다. 냉각제 회로는 예를 들어 저온 시동 시 배터리의 워밍(warming)을 위해서도 사용될 수 있다.
이러한 다양한 배터리들은 이미 공지되어 있다. 예를 들어 DE 10 2008 059 966 A1호 및 DE 10 2008 010 828 A1호에 실질적으로 직육면체로 형성되고 적층 형태로 차례로 냉각 플레이트 상에 배치된 소위 평판 전지로서 형성된 전지들을 포함하는 배터리가 공지되어 있다. 전지들은 이 경우 클램핑 장치에 의해, 예를 들어 별도의 클램핑 플레이트 및/또는 클램핑 스트랩에 의해 서로 클램핑되고, 냉각 플레이트에 가압된다.
WO 2010/081704 A2호에는 2개의 압력 프레임 및 하나의 인장 로드에 의해 다수의 전지들이 커피백 구조로 프레임 부재들 사이에 클램핑되는 배터리가 공지되어 있다. 상기 간행물에 배터리 블록 내의 연속하는 전지들 사이에 쉽게 휘는 부재들을 배치하는 것이 공지되어 있다.
본 발명의 과제는 선행기술에 따른 구성을 개선하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항의 특징에 의해 해결된다.
본 발명의 바람직한 개선예는 종속 청구항의 대상이다.
본 발명의 관점에 따라 다수의 저장 전지, 저장 전지들의 클램핑을 위한 클램핑 장치 및 저장 전지들 또는 저장 전지들로 형성된 전지 어셈블리의 온도 조절을 위한 냉각 장치를 포함하는 에너지 저장 장치가 제안되고, 이 경우 클램핑 장치는 온도 조절 장치의 기능 부품으로서 설계되고 구성된다.
에너지 저장 장치란, 본 발명과 관련해서 특히, 경우에 따라서 전기화학 프로세스를 이용하여 전기 에너지를 흡수하고 저장하고 다시 제공할 수 있는 장치이다. 저장 전지란, 본 발명과 관련해서 특히, 경우에 따라서 전기화학 프로세스를 이용하여 자체적으로 전기 에너지를 흡수하고 저장하고 다시 제공할 수 있는 에너지 저장 장치의 집적 내장형 기능 유닛이다. 저장 전지는 예를 들어 갈바니 일차- 또는 이차 전지(본 출원과 관련해서 일차- 또는 이차 전지는 일률적으로 배터리 전지라고도 하고, 이것으로 구성된 에너지 저장 장치는 배터리라고 한다) 일뿐만 아니라, 연료 전지, 슈퍼캡(supercap) 등과 같은 고출력 커패시터이거나 또는 다른 방식의 에너지 저장 전지일 수 있다. 특히 배터리 전지로서 구성된 저장 전지는 예를 들어 전기화학 변환- 및 저장 프로세스가 이루어지는 활성 영역 또는 활성 부분, 주변으로부터 활성 부분을 캡슐화하기 위한 하우징 및, 저장 전지의 전기 극으로서 이용되는 적어도 2개의 전류 콘택을 포함한다. 활성 부분은 예를 들어 바람직하게 스택으로서 또는 집전 포일, 활성층 및 분리층을 포함하는 와인딩으로서 형성된 전극 어레이를 포함한다. 활성층과 분리층은 적어도 부분적으로 별도의 포일 블랭크(blank)로서 또는 집전 포일의 코팅으로서 제공될 수 있다. 전류 콘택은 집전 포일에 전기 접속되거나 또는 상기 집전 포일로 형성된다.
저장 전지는 에너지를 전기 에너지 형태로서가 아니라 열, 위치, 운동 또는 기타 에너지 형태로 흡수 및/또는 제공하는 전지일 수 있고, 또는 에너지를 하나의 에너지 형태로 흡수하여 다른 에너지 형태로 다시 제공하는 전지일 수 있고, 이 경우 저장은 또 다른 에너지 형태로 이루어질 수 있다.
클램핑이란, 본 발명과 관련해서 예정된 위치에서, 특히 서로 상대 위치에서 인장력에 의한 고정을 의미한다. 클램핑 시, 이에 제한되는 것은 아니지만 탄성력과 마찰력도 이용될 수 있다. 또한, 클램핑은 형상 끼워 맞춤 결합 방식의 위치 고정을 포함한다. 즉, 서로 분리되는 것을 저지하는 것에 제한될 수 있지만, 이에 제한 되어서는 안 된다.
온도 조절이란, 본 발명과 관련해서 열의 방출 또는 유입, 특히 방출을 의미한다. 이는 예컨대 열 방출 면에서 열 방출에 의한 수동 냉각으로 구현될 수 있고, 열 교환 면에서 강제 대류에 의해 또는 열 교환기에서 특히 물, 오일 등과 같은 순환 열 매체와의 열 교환에 의한 능동 냉각으로 구현될 수 있다. 이 경우 예정된 허용 온도 범위를 준수하기 위해 제어 또는 조절이 제공될 수 있다.
클램핑 장치가 온도 조절 장치의 기능 부품으로서 설계되고 구성되는 경우에, 클램핑 장치는 저장 전지들 또는 전지 어셈블리의 온도 조절과 관련한 기능들을 실행할 수도 있다. 이러한 기능들은 예를 들어, 이에 제한되는 것은 아니지만, 저장 전지에서 저장 전지로 열 전달, 열 방출 면을 통한 열 방출, 열 매체에서 열 매체로 열 전달, 열원 또는 히트 싱크 및/또는 그와 같은 것에서 열원 또는 히트 싱크 및/또는 그와 같은 것으로 열 전도를 포함할 수 있다.
이를 위해 바람직하게 클램핑 장치는 열 전도성 물질로 형성된다. 열 전도성이란, 본 발명과 관련해서 어떠한 물질이 기술적으로 열 전도체로서 사용을 가능하게 하는 열 전도성을 갖는 경우이다. 하한은 대략 10 내지 20 W m-1 K-1일 수 있다. 즉, 고합금 강 및 양호한 열 전도성 충전 물질을 포함하는(바람직하게 섬유 강화) 소수의 플라스틱의 열 전도성에 해당한다. 적어도 40 내지 50 W m-1 K-1의 열 전도성을 선택하는 것이 바람직하고, 이는 스프링 강(예를 들어 55Cr3)의 열 전도성에 해당한다. 적어도 100 또는 수백 W m-1 K-1의 열 전도성이 특히 바람직하다. 예를 들어 뿐만 아니라 148 W m-1 K-1을 갖는 실리콘 또는 221 내지 237 W m-1 K-1을 갖는 알루미늄 또는 240 내지 400 W m-1 K-1을 갖는 구리 또는 대략 430 W m-1 K-1을 갖는 은을 적절한 것으로 간주할 수 있다. 대략 6000 W m-1 K-1의 열 전도성을 갖는 탄소나노튜브는 이러한 관점에 있어서 현재로서 달성 가능한 최선책이다. 탄소나노튜브 또는 다른 특수한 재료의 사용은 비용, 처리 가능성 및 그 밖의 기술적 적합성의 관점에서 고려될 수 있다. 이러한 관점에서 열 전도성 물질로 형성이란 본 발명과 관련해서, 클램핑 장치 또는 클램핑 장치의 부재가 실질적으로 상기와 같은 물질로 이루어지거나 또는 강도, 전기 절연, 내온성 또는 그 밖의 특성 또는 사용 목적을 위해 상기와 같은 물질 이루어진 하나의 코어, 코팅 또는 층, 케이싱 또는 그와 같은 것을 포함할 수 있는 것을 의미한다. 따라서 적절한 재료 조합에 의해 소정의 특성이 조절 수 있다. 전술한 바와 같은 재료들 또는 세라믹 또는 다이아몬드와 같은 다른 양호한 열 전도체는 열 전도 플라스틱을 위한 충전 물질로서 고려된다.(20℃에서 열 전도성에 대한 모든 데이터는 공학의 기초, Huette에 따름, Springer 출판사, 제 31 판, 2000년, Engelkraut 외 저, 열 방출을 위한 열 전도성 플라스틱, 프라운호퍼 통합 시스템 장치 기술 연구소, 2008년 7월 15일 현재, 독일 제철, 데이터 시트 1.7176 및 Wikipedia, "열 전도성"에 대한 항목, 2011년 2월 22일 현재;경우에 따라서는 상기 사이트의 마무리 및 범위 통합)
더 바람직하게 에너지 저장 장치는, 클램핑 장치가 적어도 부분적으로, 바람직하게는 평면으로 저장 전지의 열 교환 면에 접촉하도록 형성된다. 저장 전지의 열 교환 면이란 본 발명과 관련해서 저장 전지의 내부에서 생성된 열을 방출할 수 있고 경우에 따라서(즉, 냉각 상태에서) 저장 전지의 내부로 방출하기 위한 열을 흡수할 수도 있는 저장 전지의 표면일 수 있다. 열 교환 면이 속하는 부재가 전지의 활성 영역에 생성된 열을 열 교환 면으로 전달하도록 설계되고 구성되는 경우에 바람직하다. 접촉에 의해 양호한 열 결합이 보장된다. 열 결합은 경우에 따라서 열전도 부재를 매개로 이루어질 수 있고, 상기 열전도 부재는 전기 절연 또는 그와 같은 역할을 담당할 수 있다.
특히 바람직하게 에너지 저장 장치는, 저장 전지가 각기둥 형태, 특히 평판 형태를 갖고, 열 교환 면이 저장 전지의 적어도 하나의 둘레면, 특히 좁은 면에 제공되도록 형성된다. 평판 각기둥 형태란, 본 발명과 관련해서 폭은 다른 공간 방향으로보다 두께 방향으로도 규정되는 공간 방향으로 훨씬 작고 따라서 비교적 큰 표면적을 갖는 2개의 넓은 면이 좁은 에지, 특히 적어도 4개의 둘레면 또는 좁은 면과 확실히 구별될 수 있는 형태이다. 평판 각기둥 형태의 저장 전지는 특히 양호하게 전지 어셈블리로, 특히 콤팩트한 블록으로 적층될 수 있고, 양호한 공간 이용률을 갖고, 상기 전지들의 접촉은 다양한 방식으로, 예컨대 넓은 면을 통해, 좁은 면을 통해, 돌출한 도체 스트립을 통해(전류 콘택이라고도 함) 또는 이와 같은 것을 통해 구현될 수 있다. 적층된 각기둥 형태의 전지에서 둘레면들은 외부에 위치하므로, 상기 면들은 열 교환 면으로 적합하다. 본 발명은 그럼에도 뚜렷한 평판이 아니라 예컨대 제한적이지 않지만 입체형 저장 전지에 적용될 수 있고, 각기둥 형태가 아니라 예컨대 제한적이지 않지만 원통형 저장 전지에도 적용될 수 있는 것이 고려된다.
또한, 에너지 저장 장치는 바람직하게, 열 전도성 물질로 형성되고 적어도 부분적으로, 바람직하게는 평면으로 저장 전지의 열 교환 면에 접촉하는 열전도 부재가 제공되도록 형성되고, 이 경우 적어도 클램핑 장치는 열전도 부재의 자유 표면에 접촉한다. 열전도 부재란, 본 발명과 관련해서 저장 전지에서 저장 전지로, 특히 에너지 저장 장치 내부의 저장 전지들 사이의 공간에서 공간으로, 즉 저장 전지들 사이의 공간 외부로 및 공간 외부로부터 열을 전달할 수 있는 부재이다. 열전도 부재는 예컨대 이에 제한되는 것은 아니지만, 박판 또는 열 전도성 물질로 이루어진 성형체일 수 있고, 저장 전지들 사이에 배치된다. 열전도 부재의 자유 표면이란, 본 발명과 관련해서 저장 전지의 전지 어셈블리의 외부로부터 액세스 가능한 표면이고, 예를 들어 상기 저장 전지의 자유 에지 측면에서 돌출하고, 거기서 예컨대, 필수적인 것은 아니지만 직각으로 구부러지므로, 저장 전지의 에지 측면에 접촉할 수 있다. 이 경우에도, 바람직하게 저장 전지들이 각기둥 형태, 특히 평판 형태를 가지면, 열 교환 면은 바람직하게 저장 전지의 넓은 면에 제공될 수 있고, 열전도 부재의 자유 표면은 바람직하게 저장 전지의 둘레면, 특히 좁은 면의 영역에 제공될 수 있다. 저장 전지의 넓은 면이 저장 전지의 전기 극으로서 형성되는 경우에, 열전도 부재는 도전 물질로 형성될 수도 있고, 또한 인접한 저장 전지들 사이의 또는 하나의 저장 전지와 에너지 저장 장치의 폴 접속 장치 사이의 전기 콘택 부재로서 작용할 수 있다. 전기 접촉이 저지되어야 하는 경우에, 열전도 부재는 대안으로서 전기 절연 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 2개의 저장 전지들 사이에 및/또는 하나의 저장 전지와 다른 부재 사이에 적어도 부분적으로 휘어질 수 있게, 특히 탄성에 의해 휘어질 수 있게 형성된 적어도 하나의 댐핑 부재가 제공되고, 상기 댐핑 부재는 열 전도성으로 형성되고, 저장 전지의 부분 또는 열전도 부재의 부분이거나 또는 저장 전지 또는 열전도 부재의 표면에 장착되거나 또는 저장 전지와 열전도 부재 사이에 배치된다. 댐핑 부재란, 본 발명과 관련해서 특히, 저장 전지들 사이, 경우에 따라서는 저장 전지와 다른 부재 사이의 상대 운동을 저지할 수 있는 부재이다. 종래의 댐핑 부재가 일반적으로 폴리우레탄 폼, 스폰지 고무, 골판지 또는 그와 같은 것처럼 매우 작은 열 전도성을 갖는 물질로 제조되는 한편, 본 발명에 따른 댐핑 부재는 이러한 바람직한 실시예에서 열 전도성으로 형성된다. 이와 관련해서 기술적으로 유용하고 구조적으로 의도된 열 전도성이 다루어지고, 단열 물질 자체에도 존재하는 최소의 물리적으로 불가피한 잔열 전도는 다루어지지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 클램핑 장치는 적어도 하나의 클램핑 스트랩을 포함하고, 상기 클램핑 스트랩은 열 전도성 물질로 형성되고, 바람직하게는 적어도 부분적으로 자체적으로 탄성을 갖도록, 특히 웨이브 스프링 형태로 형성되고, 이 경우 바람직하게는 다수의 클램핑 스트랩이 제공되고, 상기 스트랩들 중 적어도 하나의 클램핑 스트랩은 적어도 하나의 다른 클램핑 스트랩과 중첩한다. 클램핑 스트랩이란, 본 발명과 관련해서 저장 전지들의 집합체를 서로에 대해 클램핑하기 위해, 특히 휘감는 방식으로 클램핑하기 위해 이용될 수 있는 긴, 특히 납작한 밴드 형상의 부재이다. 응력 하에 장착을 가능하게 하기 위해, 록킹 메카니즘, 그리핑 메카니즘 또는 그와 같은 것이 제공될 수 있다. 자체가 탄성적으로 형성됨으로써, 전지 블록에 균일한 인장력이 가해지는 것이 달성될 수도 있다. 클램핑 스트랩의 탄성 신장률은, 예비 응력 하에 장착 시 클램핑 스트랩이 전지 블록에 비해 오버사즈를 갖고, 상기 전지 블록 둘레에 감길 수 있도록 설계되고, 이때 예비 응력이 약해지면 클램핑 스트랩은 전지 블록 둘레에 고정된다. 이를 위해 클램핑 스트랩은 부분적으로 예컨대 웨이브 스프링 형태로 형성될 수 있다. 특히 바람직하게, 웨이브 스프링 형태로 형성된 섹션은 평평한 섹션을 포함하고, 상기 섹션은 응력 하에 저장 전지, 열전도 부재 또는 그와 같은 것의 열 교환 면에 평면으로 배치된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서 클램핑 장치는 다수의 인장 로드를 포함하고, 상기 인장 로드들은 열 전도성 물질로 형성된다. 인장 로드란, 본 발명과 관련해서 길게 형성된, 특히 전지 스택의 전체 길이 위로 돌출하는 바이고, 상기 바는 특히 저장 전지의 스택 방향으로 각각의 외부 저장 전지들을 가압하는 플레이트 또는 플랜지와 같은 압축 부재에 의해 전지 블록을 클램핑 한다. 일반적으로 다수의 인장 로드, 예를 들어 4개, 6개, 8개 또는 그 이상의 인장 로드가 제공된다. 이러한 인장 로드는 예를 들어 단부에 헤드를 갖고, 다른 단부에 나사산을 갖거나 또는 2개의 단부에 나사산을 가짐으로써, 너트를 이용해 돌려 넣거나 또는 나사 고정하여 조임으로써 확실한 클램핑이 가능해질 수 있다. 인장 로드의 사용은 저장 전지의 적절한 형성 시, 클램핑 전에 저장 전지들이 비교적 간단하게 인장 로드에 꿰어질 수 있고, 이는 장착을 간단하게 할 수 있는 장점을 제공한다. 인장 로드는 예를 들어 프레임 평판 전지들의 프레임 부재들의 상응하는 리세스를 통해 연장되고, 상기 전지로부터 열을 흡수할 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서 클램핑 장치는 지지 부재와 클램핑 부재를 포함하고, 이 경우 지지 부재는 저장 전지와 교대로 배치됨으로써, 저장 전지들이 사이에서 지지될 수 있고, 클램핑 부재는 지지 부재를 저장 전지와 함께 클램핑 하고, 지지 부재는 적어도 부분적으로 저장 전지의 열 교환 면에 열 결합되고, 클램핑 부재는 적어도 부분적으로 지지 부재의 열 교환 면에 접촉한다. 이 경우 지지 부재는 적어도 저장 전지와의 접촉면과 열 전도성 물질을 포함하는 클램핑 부재와의 접촉면 사이에 형성된다. 이로 인해 배터리 블록에 대한 지지 부재와 저장 전지의 확실한 클램핑이 이루어질 수 있다. 예를 들어 이에 제한되는 것은 아니지만, 클램핑 스트랩이 클램핑 부재로서 제공되는 경우에, 지지 부재의 열 교환 면은 지지 부재의 외부면, 특히 에지 면일 수 있다. 예컨대 인장 로드와 같은 클램핑 부재는 개구, 예컨대 보어를 통해서도 지지 부재 내로 안내될 수 있다. 즉, 이러한 경우에 지지 부재의 열 교환 면은 개구의 내부면에 의해 형성될 수 있다. 저장 전지의 열 교환 면은 저장 전지의 넓은 면 또는 에지 면에 의해, 전류 콘택에 의해 제공될 수 있거나 또는 전류 콘택의 통과 영역에서는 저장 전지의 하우징에 의해 제공될 수 있다.
더 바람직하게 에너지 저장 장치는, 클램핑 장치가 적어도 부분적으로, 특히 평면 접촉에 의해 열 교환 장치의 섹션에 열 결합되도록 형성되고, 이 경우 열 교환 장치는 바람직하게 열 매체 회로에 접속되고, 이 경우 열 매체 회로는 바람직하게 제어 또는 조절 가능하다. 이로써 클램핑 장치는 저장 전지로부터 흡수된 열을 열 교환 장치에 전달할 수 있고, 거기에서 열 매체, 예컨대 이에 제한되는 것은 아니지만, 물 또는 오일로 방출할 수 있다. 가열된 열 매체는 열 매체 회로를 통해 순환할 수 있고, 다른 위치에서 흡수된 열은 다시 예컨대 공기 냉각기 또는 그와 같은 것으로 방출할 수 있다.
특히 바람직하게 열 교환 장치는 적어도 부분적으로 저장 전지의 열 교환 면과 접촉하고, 이 경우 저장 전지들은 평판 각기둥 형태를 갖고, 저장 전지들의 적어도 2개의, 바람직하게 대향 배치된 좁은 면에 열 교환 면이 제공된다. 따라서 저장 전지들은 한편으로는 직접적인 접촉에 의해 열 교환 장치로 열을 방출할 수 있고, 다른 한편으로는 열 교환 장치와 접촉하지 않는 위치에서 클램핑 장치로 열을 방출할 수 있다. 바람직하게 클램핑 장치는 전지들을 서로 클램핑 할 뿐 아니라 열 교환 장치도 클램핑 한다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 활성 부분, 상기 활성 부분을 둘러싸는 하우징 및, 열 전도 수단을 포함하는 에너지 저장 장치가 제안되고, 이 경우 열 전도 수단은 에너지 저장 전지의 작동 시 에너지 저장 전지의 적어도 하나의 더 뜨거운 면으로부터 에너지 저장 전지의 작동 시 에너지 저장 전지의 적어도 2개의 더 차가운 면으로 열을 전달하도록 설계되고 구성된다. 이러한 다수의 에너지 저장 전지들이 결합하여 블록이 형성되면, 2개의 더 차가운 면에서 열을 직접적인 접촉에 의해 클램핑 장치로, 예컨대 클램핑 스트랩으로 방출하거나 또는 한 측면에서는 클램핑 스트랩으로 그리고 다른 측면에서는 열 교환기로 방출하는 것이 가능하다. 이러한 에너지 저장 전지는 특히 전술한 바와 같은 에너지 저장 장치에서 사용하기에 적합하다.
또한, 이러한 에너지 저장 전지에서 냉각이 명시되어 있지 않아도 에너지 저장 전지의 열 프로파일은 보상될 수 있다.
바람직한 실시예에서 에너지 저장 전지에 각기둥 형태의 전기 절연 프레임부과 2개의 평평한 도전 측면부들이 제공되고, 이 경우 프레임부와 측면부들은 하우징을 형성하고, 활성 부분의 전류 콘택 러그들은 측면부들 중 하나의 측면부에 각각 연결되므로, 측면부들은 프레임부에 의해 서로 전기 절연되는 에너지 저장 전지들의 전기 극을 형성하고, 프레임부의 바람직하게 대향 배치된 적어도 2개의 좁은 면은 적어도 부분적으로 측면부들 중 적어도 하나의 측면부의 꺾어진 섹션에 의해 커버된다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 특히 에너지 저장 전지를 수용하기 위한 얇은 벽 구조를 갖는 열전도 부재가 제안되고, 이 경우 얇은 벽 구조는 바람직하게 평평한 직육면체 형태를 규정하고, 얇은 벽 구조는 적어도 하나의 넓은 면과 상기 넓은 면에 인접하는 적어도 2개의 좁은 면을 포함한다. 에너지 저장 전지, 특히 평판 전지, 예를 들어 이에 제한되는 것은 아니지만 프레임 평판 전지가 이러한 열전도 부재에 수용되는 경우에, 열전도 부재의 얇은 벽 구조의 적어도 하나의 넓은 면은 넓은 면에 인접하는 전지의 활성 부분으로부터 열을 흡수할 수 있고, 적어도 2개의 좁은 면으로 전달할 수 있다. 이러한 열전도 부재들을 포함하는 다수의 에너지 저장 전지들이 결합하여 블록을 형성하는 경우에, 좁은 면에서 열을 직접 접촉에 의해 클램핑 장치, 예컨대 클램핑 스트랩으로 방출하거나 또는 한 측면에서는 클램핑 스트랩으로 그리고 다른 측면에서는 열 교환기로 방출하는 것이 가능하다. 이러한 열전도 부재는 특히 전술한 바와 같은 에너지 저장 장치에서 사용하기에 적합하다. 에너지 저장 전지의 넓은 면이 전기 극을 형성하는 경우에, 열전도 부재가 도전 물질로 형성되는 것이 바람직하고, 이 경우 적절한 조치에 의해 에너지 저장 전지의 대향 배치된 극들 사이의 단락이 방지될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 좁은 면은 에너지 저장 전지의 수용 후에 넓은 면에 인접하는 브래킷이 꺾어짐으로써 형성될 수 있고, 이 경우 바람직하게 에너지 저장 전지를 적어도 실질적으로 모든 측면에서 둘러싸는 구조가 형성된다.
본 발명에 따른 에너지 저장 장치, 본 발명에 따른 에너지 저장 전지 및 본 발명에 따른 열전도 부재는 특히 자동차에서 사용하기 위해 제공되고, 이 경우 자동차는 특히 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차이다.
본 발명의 전술한 그리고 다른 특징들, 과제 및 장점들은 첨부된 도면과 관련해서 작성된 하기 설명에 더 상세히 제시된다.
도 1은 다수의 프레임 평판 전지들로 이루어지고 스프링 탄성에 의해 클램핑된 전지 블록의 개략적인 횡단면도.
도 2는 전지 블록을 둘러싸는 클램핑 장치와 전지 블록 사이에 탄성 부재가 삽입된, 프레임 평판 전지로서 형성된 전지들을 포함하는 배터리의 개략적인 횡단면도.
도 3은 다수의 프레임 평판 전지들로 이루어진 클램핑된 전지 블록을 포함하는 배터리의 개략적인 입체도.
도 4는 도 3의 배터리를 분해 도시한 개략적인 입체도.
도 5는 다수의 프레임 평판 전지로 이루어지고 3개의 방향으로 클램핑된 전지 블록을 포함하는 배터리의 개략적인 입체도.
도 6은 프레임 평판 전지를 분해 도시한 개략적인 입체도.
도 7은 도 6에 따른 조립된 전지들의 개략적인 횡단면도.
도 8은 유사한 프레임 평판 전지를 분해 도시한 개략적인 입체도.
도 9는 다른 배터리를 분해 도시한 개략적인 입체도.
도 10은 조립된 상태에서 도 9에 따른 배터리의 개략적인 입체도.
도 11은 프레임 평판 전지와 열전도 부재의 개략적인 입체도.
도 12는 유사한 열전도 부재의 개략적인 입체도.
도 13은 다른 열전도 부재의 개략적인 입체도.
도 14는 배터리 전지를 포함하는 도 13에 따른 열전도 부재의 개략적인 입체도.
도 15는 베이스 플레이트와 단부측 냉각 플레이트에 클램핑된 다수의 배터리 전지 및 도 14에 따른 열전도 부재를 포함하는 배터리의 개략적인 입체도.
도 16은 인장 로드에 의해 프레임 부재들 사이에 클램핑된 다수의 파우치 전지를 포함하는 배터리를 도시한 도면.
도 17은 고정 스트랩에 의해 하나의 배터리 하우징 벽에 클램핑된 원통형 배터리 전지들의 다수의 열을 포함하는 배터리의 개략적인 평면도.
도 18은 고정 스트랩에 의해 2개의 배터리 하우징 벽 사이에 클램핑된 원통형 배터리 전지들의 다수의 열을 포함하는 배터리의 개략적인 평면도.
도 19는 탄성 부재를 포함하는 파우치 전지의 개략적인 입체도.
도 20은 탄성 층을 포함하는 열전도 부재의 개략적인 횡단면도.
참고로, 도면은 개략적으로 도시되고, 적어도 실질적으로 본 발명의 이해를 돕기 위한 특징들의 재현에 제한된다. 또한, 명확한 도시를 위해 도면에 재현된 치수 및 크기 비율이 준수되고, 상세한 설명에 다르게 제시된 경우가 아니라면, 반드시 이에 제한되는 것으로 볼 수 없다.
도 1은 본 발명의 실시예로서, 전지 어셈블리를 형성하는 다수의 갈바니 전지(2)를 포함하는 배터리(1)를 개략적인 (부분) 단면도에 도시한다. 전지들(2)은 도 1에 커팅되지 않은 상태로 도시된다.
갈바니 전지들(2)은 리튬을 포함하는 활성 영역을 가진 2차 전지(어큐물레이터 전지)이다. 리튬 이온 전지 또는 그와 같은 것으로서 공지된 이러한 갈바니 전지들의 구성은 기본적으로 공지되어 있다. 본 출원과 관련해서 갈바니 전지(2)는 편의상 전지(2)라고 한다. 이 실시예에서 전지들(2)은 좁고 긴, 실질적으로 직육면체 전지 하우징을 포함하는 소위 프레임 평판 전지로서 형성된다. 전지들(2)은 평면 평행하게 차례로 배치되고, 용도에 따라 서로 병렬 및/또는 직렬로 전기 접속될 수 있다.
전지(2) 아래에 전지(2)의 온도 조절을 위한 냉각 플레이트(3)가 배치된다. 냉각 플레이트(3)는 내부에 도면에서 여러 번 커팅된 냉각 채널(3.3)을 갖고, 상기 냉각 채널은 냉각제에 의해 관류될 수 있다. 냉각 플레이트(3)와 전지(2)의 베이스 면 사이에 전기 절연 물질로 이루어진 열전도 포일(4)이 배치되고, 상기 포일은 냉각 플레이트(3)를 전지(2)로부터 전기 절연한다. 전지(2) 위에 열 전도성 도펀트를 포함하는 강화 플라스틱과 같이 양호한 열전도 특성을 갖는 전기 절연 물질로 이루어진 압축 플레이트(5)가 배치된다. 대안으로서, 압축 플레이트(5)는 강, 알루미늄 또는 그와 같은 금속으로 제조될 수 있고, 이 경우 전지(2)의 상부 좁은 면 위의 배치 영역에 열전도 포일(4)처럼 전기 절연 코팅 또는 중간층이 제공된다.
전지 어셈블리의 전방 단부에 전방 폴 플레이트(6)가 배치되고, 전지 어셈블리의 후방 단부에 후방 폴 플레이트(7)가 배치된다. 폴 플레이트들(6, 7)은 배터리(1)의 각각의 극을 형성하고, 압축 플레이트(5)를 지나서 돌출한 러그 형상의 연장부(계속해서 하기에서 더 정확히 설명된 도 3의 6.1, 7.1 참조)를 갖고, 상기 연장부는 배터리(1)의 각각의 폴 콘택을 형성한다.
또한, 폴 플레이트(6, 7)는 각각 2개의 고정 노즈(도 3의 6.2, 7.2 참조)를 포함하고, 상기 고정 노즈들은 압축 플레이트(5)에 대해 평행하게 각각의 폴 플레이트(6, 7)에 의해 꺾여 압축 플레이트(5) 위에 놓인다. 압축 플레이트(5), 전지(2) 및 냉각 플레이트(3)는 2개의 클램핑 부재(8;도 1에는 하나만 도시됨)에 의해 서로 가압되고, 상기 클램핑 부재들은 각각 압축 플레이트(5), 폴 플레이트(6, 7) 및 냉각 플레이트(3)를 빙 둘러서 안내된다. 이 실시예에서 클램핑 부재들(8)은 자체적으로 탄성을 지닌 클램핑 스트랩(8)으로서 형성되고, 이 경우 고유 탄성은 실질적으로 스프링 영역(8.1)에 의해 조절된다. 스프링 영역(8.1)은 클램핑 스트랩(8)의 웨이브 형태에 의해 구현된다. 스프링 영역(8.1)은 바람직하게, 특히 배터리(1)의 상부면 및 하부면에서, 클램핑 스트랩(8)이 폴 플레이트(6, 7) 또는 냉각 플레이트(3)의 에지를 지나 연장 연장되지 않는 곳에 형성된다. 클램핑 스트랩의 웨이브 형태는 적어도 냉각 플레이트(3)와 압축 플레이트(5) 상의 웨이브 트로프의 배치 영역에서 넓은 접촉면 주위에 적어도 부분적으로 적어도 실질적으로 평평한 섹션을 갖는다. 전지 블록(1) 내로 힘 도입은 축방향으로 전방 폴 플레이트(6)와 후방 폴 플레이트(7)를 통해 이루어진다. 이에 대해 수직인 방향으로 아래로는 냉각 플레이트(3)를 통해 위로는 압축 플레이트(5)를 통해 힘이 도입된다. 단락을 방지하기 위해, 또한 폴 플레이트(6, 7)는 적어도, 클램핑 스트랩(8)이 배치되는 곳에 열전도 포일(4)처럼 전기 절연 코팅 또는 전기 절연 중간층이 제공된다.(도면에 상세히 도시되지 않지만, 클램핑 스트랩은 폴 플레이트(6, 7) 영역에서도 탄성 섹션을 포함할 수 있다.)
클램핑 스트랩(8)은 스프링 강과 같이 양호한 열 전도체로 형성되고, 스프링 영역(8.1)의 웨이브 트로프의 영역에서 압축 플레이트(5) 및 냉각 플레이트(3)와의 열전도성 콘택을 포함한다.
적어도 폴 플레이트 영역에 클램핑 스트랩(8)의 전기 절연 코팅 또는 전기 절연 중간층이 제공된다. 변형 실시예에서 클램핑 스트랩들은 비 도전성 물질, 예컨대 바람직하게는 유리 섬유-, 케블라(kevlar)- 또는 금속 합금을 포함하는 열 전도성 플라스틱 및 열 전도성 충전 물질로 제조될 수 있다. 이러한 경우에 상황에 따라 추가 절연은 필요 없다.
클램핑 스트랩(8)과 압축 플레이트(5)의 열전도 특성 및 압축 플레이트(5)와 전지 상부면 및 클램핑 스트랩(8)과 열전도 접촉에 의해 한편으로는 배터리의 상부 영역에서도 전지들(2) 사이의 양호한 열 보상 및 상부면으로부터 하부면에 놓인 냉각 플레이트(3)로 열 전달이 이루어질 수 있다.
도 2에는 도 1에 따라 본 발명의 다른 실시예가 도시되고, 도 2에서는 전지 블록을 둘러싸는 클램핑 스트랩(8)과 전지 블록 사이에 열전도 부재(8.20, 8.21, 8.22)가 제공된다.
도 2에 따라 클램핑 스트랩(8)과 냉각 플레이트(3) 사이에 하부 열전도 부재(8.20), 클램핑 스트랩(8)과 압축 플레이트(5) 사이에 상부 열전도 부재(8.21) 및, 클램핑 스트랩(8)과 폴 플레이트(6, 7) 사이에 단부측 열전도 부재(8.22)가 배치된다. 열전도 부재(8.20, 8.21, 8.22)로서 강성 금속 블록, 예컨대 알루미늄 블록이 사용될 수 있다. 클램핑 스트랩은 전지 블록을 둘러싸고, 축방향으로 및 수직축의 방향으로 균일한 압착력을 보장한다. 클램핑 스트랩(8)은 크림프 조인트(8.3)에 의해 폐쇄된다. 이는 배터리(1)의 안전한 클램핑을 제공한다.
변형 실시예에서 열전도 부재(8.20, 8.21, 8.22)는 탄성 특성을 가질 수 있고, 예를 들어 금속 칩으로 채워진 쿠션, 금속 도핑된 발포성 매트, 열전도 겔을 포함하는 쿠션 또는 매트 또는 그와 같은 것을 포함하는 웨이브 박판 스프링으로서 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예와 달리, 클램핑 스트랩(8)은 탄성에 의한 주름 없이 직선으로 형성되고, 전체 면에 걸쳐 열전도 부재(8.20, 8.21, 8.22) 위에 배치된다.
도 3 및 도 4는 도 1 또는 도 2에 따른 배터리의 다른 변형 실시예를 개략적인 입체도에 도시한다. 도 3은 배터리(1)의 조립 상태를 도시하고, 도 4는 배터리(1)를 분해 도시한다.
냉각 플레이트(3)는 내부에 냉각제가 관류할 수 있는 냉각 채널(도 1 및 도 2에서 3.3)과 냉각제의 공급 및 배출을 위한 2개의 냉각제 접속부(3.1)를 포함한다. 냉각제 접속부(3.1)를 통해 냉각 플레이트(3)는 도시되지 않은 냉각제 회로에 접속될 수 있고, 상기 회로를 통해 냉각제에 의해 흡수된 폐열이 배터리(1)로부터 방출될 수 있다.
이러한 변형 실시예에서 클램핑 장치는 2개의 금속 클램핑 스트랩(8)에 의해 구현되고, 상기 스트랩은 전기 절연성이지만 열 전도 층을 포함한다. 클램핑 스트랩(8)은 도시된 변형예에서 웨이브 형태의 팽창 영역으로서 형성된 클램핑 영역(8.4)을 포함한다. 클램핑 스트랩을 클램핑하고 단부들을 서로 고정 연결하기 위해, 팽창 영역 대신에 크림핑 방법이 적용될 수도 있다. 다른 대안예에서 토글 조인트, 스크루 조인트 또는 턴버클(turnbuckle)과 유사한 방식이 제공될 수 있다. 도 4에서는 후방 폴 플레이트(7)의 측에만 클램핑 영역(8.4)이 도시되지만, 이러한 클램핑 영역은 전방 폴 플레이트(6)의 측에도 제공될 수 있다.
클램핑 스트랩들(8)은 압축 플레이트(5) 위의 홈(5.1)에서, 후방 폴 플레이트(7) 위의 홈(7.3)에서, 냉각 플레이트(3) 위의 홈(3.2)에서 및 전방 폴 플레이트(6) 위의 도시되지 않은 홈에서 연장된다.
도 5는 도 3에 따른 배터리(1)의 다른 변형 실시예를 개략적인 입체도에 도시한다.
수직으로 연장된 클램핑 스트랩들(8) 외에 다른 클램핑 스트랩(9)이 제공되고, 상기 다른 클램핑 스트랩은 배터리(1)를 수평으로 둘러싼다. 상기 다른 클램핑 스트랩은 전지(2)와 전방 및 후방 폴 플레이트(6, 7)의 측방향 좁은 면 내의 도시되지 않은 홈에서 연장되고, 폴 플레이트(6, 7)의 영역에서 클램핑 스트랩들(8)과 중첩한다. 변형 실시예에서 클램핑 스트랩들(8)은 클램핑 스트랩(9)과 중첩할 수 있다.
다른 변형예에서 클램핑 스트랩(9)과 전지(2)의 측방향 좁은 면 사이에 압축 플레이트(도시되지 않음)가 제공될 수 있다.
모든 변형 실시예에서 도전성 클램핑 부재의 경우에 전술한 바와 같이 적절한 조치에 의해 폴 플레이트(6, 7)와 상기 부재의 전기 접촉이 방지될 수 있다.
압축 플레이트(5)는 변형 실시예에서 적어도 부분적으로 전기 절연 캐리어 물질, 바람직하게는 선택적인 섬유 강화재를 포함하는 플라스틱으로 이루어진 프린트 회로기판으로서 형성되고, 배터리 기능의 모니터링 및/또는 제어를 위한 전기 소자 및 도시되지 않은 도전 트랙을 지지한다. 이러한 전기 소자는 예컨대 프린트 회로기판 위에 마이크로칩 형태로 제공되는, 예를 들어 전지 전압 모니터링 소자 및/또는 전지의 상이한 충전 상태를 보상하기 위한 전지 전압 보상 소자 및/또는 전지(2)의 온도를 모니터링하기 위한 온도 센서이다. 적어도 클램핑 스트랩(8) 또는 열전도 부재(8.21)가 배치되는 영역에서 압축 플레이트(5)는 양호한 열전도 특성을 갖고, 상기 영역은 열전도 영역이라고도 할 수 있다. 또한, 압축 플레이트(5)는 바람직하게, 열이 발생하고 및/또는 열에 민감한 스위칭 소자들이 열전도 영역 근처에 및/또는 열전도 영역과 열전도 접촉하여 배치될 수 있도록 형성된다. 특히 바람직하게 프린트 회로기판은 자체로 양호한 열전도 특성을 갖고, 그와 같이 압축 플레이트(5)를 형성한다. 압축 플레이트(5)는 다른 변형 실시예에서 전체적으로 양호한 열전도 특성을 갖는 물질로 형성될 수 있고, 이 경우 클램핑 스트랩(8) 또는 열전도 부재(8.21)가 배치되지 않은 영역에 전술한 프린트 회로기판이 배치된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예로서 평판 전지로 형성된 갈바니 전지(2)를 개략적인 입체 분해도에 도시한다.
도 6에 따라 전지(2)의 전지 하우징(하우징)은 2개의 전지 하우징 측벽(2.1, 2.2)과 그 사이에 배치되어 에지측으로 둘러싸는 전지 하우징 프레임(2.3)으로 형성된다. 전지(2)의 전지 하우징 측벽들(2.1, 2.2)은 도전성으로 구현되고, 전지(2)의 2개의 극(P+, P-)을 형성한다. 전지 하우징 프레임(2.3)은 전기 절연되도록 구현되므로, 상이한 극성의 전지 하우징 측벽들(2.1, 2.2)은 서로 전기 절연된다. 전지 하우징 프레임(2.3)은 추가로 상부면에 부분적인 재료 돌출부(2.31)를 포함하고, 상기 돌출부의 기능은 도 9 및 도 10의 설명에서 논의된다.
전지(2)는 적어도 3개의 전압-접속 콘택(K1 내지 K3)을 포함한다. 즉, 극(P-)을 형성하는 전지 하우징 측벽(2.1)은 적어도 2개의 전압-접속 콘택(K1, K2)을 포함하고, 상기 콘택들은 특히 전지 내부에서 서로 전기 접속되고, 특히 병렬 접속된다. 제 1 전압-접속 콘택(K1)은 전지(2)의 극(P-) 및 전지 하우징 측벽(21)으로 형성된다. 제 2 전압-접속 콘택(K2)은 측정 접속부(2.11)로서 구현되고, 상기 측정 접속부는 방사방향으로 전지 하우징 측벽(2.1) 위의 임의의 위치에서 전지(2) 위로 러그 형상의 연장부로서 돌출한다.
본 발명의 이 실시예에서 러그 형상의 측정 접속부(2.11)를 포함하는 전지 하우징 측벽(2.1)의 하부 영역은 전지 하우징 프레임(2.3)의 방향으로 90°구부러진 하부 에지(2.12)를 가지므로, 도 9 및 도 10에 도시된 열전도 플레이트(8)의 사용 시 유효한 열 전달 면의 확장 및 배터리(1)의 개선된 냉각이 달성된다. 또한, 러그 형상의 측정 접속부(2.11)를 포함하는 전지 하우징 측벽(2.1)의 상부 영역은 전지 하우징 프레임(2.3)의 방향으로 90°구부러진 2개의 브래킷(2.13)을 갖는다. 조립 상태에서 브래킷(2.13)은 재료 돌출부(2.31) 옆에서 전지 하우징 프레임(2.3)의 상부 좁은 면(2.32)에 결합하는 한편, 에지(2.12)는 전지 하우징 프레임(2.3)의 하부 좁은 면에 결합한다.
도 9 및 도 10에 상세히 도시된 배터리(1)는 소정의 배터리 전압 및- 출력에 따라서 병렬 및/또는 직렬로 서로 접속되고 도 5 내지 도 7에 도시된 전지 어셈블리(Z)를 형성하는 극(P+, P-), 특히 넓은 면으로서 구현된 전지 하우징 측벽(2.1, 2.2)을 가진 다수의 전지(2)로 이루어진다.
먼저 전지(2)의 내부 구성이 도 7의 단면도를 참고로 설명된다.
도 7에 따라 전술한 하우징 부분들(2.1, 2.2, 2.3)에 의해 구성된 하우징의 내부에 상세히 도시되지 않은 활성 영역(2.4)이 제공되고, 상기 영역에서 상이한 극성의 전극 포일(2.5), 특히 알루미늄 포일 및/또는 구리 포일 및/또는 전기화학적 활성 물질로 코팅된 금속 합금으로 이루어진 포일이 차례로 적층되고, 분리막, 특히 분리막 포일에 의해 서로 전기 절연된다.
전극 스택(2.4)의 중앙 영역 위로 돌출한 전극 포일(2.5)의 에지 영역에서 동일한 극성의 전극 포일들(2.5)은 서로 전기 접속된다. 동일한 극성의 전극 포일들(2.5)의 서로 접속된 단부들은 이로써 하나의 폴 콘택(2.7)을 형성하고, 상기 콘택은 전류 콘택 러그라고도 한다. 또한, 전지(2)의 상이한 극성의 폴 콘택들(2.7)은 편의상 전류 콘택 러그들(2.7)이라고 한다. 상세히는 전극 포일(2.5)의 단부들은 도전적으로 서로 가압되고 및/또는 용접되고, 전극 스택(2.4)의 전류 콘택 러그들(2.7)을 형성한다.
전극 스택(2.4)은 전극 스택(2.4)을 에지측으로 둘러싸는 전지 하우징 프레임(2.3) 내에 배치된다. 또한, 전지 하우징 프레임(2.3)은 서로 이격 배치된 2개의 재료 오목부(2.33, 2.34)를 포함하고, 상기 재료 오목부들은, 상이한 극성의 전류 콘택 러그들(2.7)이 재료 오목부들(2.33, 2.44) 내에 배치되도록 형성된다. 재료 오목부들(2.33, 2.34)의 내측 높이(h)는, 영향을 받지 않도록 차례로 적층된 전류 콘택 러그들(7)의 길이에 상응하거나 또는 상기 길이보다 작도록 형성된다. 재료 오목부들(2.33, 2.34)의 깊이(t)는 전류 콘택 러그들(7)의 길이에 상응하거나 또는 상기 길이보다 크게 형성된다.
전지 하우징 프레임(2.3)은 바람직하게 전기 절연 물질로 제조되기 때문에, 상이한 극성의 전류 콘택 러그들(7)은 서로 전기 절연되고, 따라서 전기 절연을 위한 추가 장치는 바람직하게 필요하지 않다.
예를 들어 상세히 도시되지 않은 방식으로 전지 하우징 프레임(2.3) 내의 환형 홈 내로 넓은 면의 접착 및/또는 크림핑에 의해 이루어지는 전지 하우징 측벽(2.1, 2.2)의 고정 시, 상이한 극성의 전류 콘택 러그들(2.7)은 전지 하우징 측벽(2.1, 2.2)에 대해 가압되므로, 전류 콘택 러그들(2.7)의 각각의 전기 전위가 전지 하우징 측벽(2.1, 2.2)에 인가하고, 상기 전지 하우징 측벽은 전지(2)의 극(P+, P-)을 형성한다.
변형 실시예에서 예를 들어 구리로 제조된 전류 콘택 러그들(7)과 예를 들어 알루미늄으로 제조된 하우징 측벽들(2.1, 2.2) 사이에 추가로 상세히 도시되지 않은, 예를 들어 니켈로 제조된 포일이 배치됨으로써, 전류 콘택 러그들(2.7)과 전지 하우징 측벽들(2.1, 2.2) 사이의 개선된 전기 접속이 이루어질 수 있다.
다른 변형 실시예에서 상세히 도시되지 않은 전기 절연 포일이 전류 콘택 러그들(2.7)과 전지 하우징 측벽들(2.1, 2.2) 사이에 배치되거나 또는 전지 하우징 측벽들(2.1, 2.2)의 단부측은 전기 절연층으로 구현되므로, 전류 콘택 러그들(2.7)과 전지 하우징 측벽들(2.1, 2.2)의 전기 접촉은 상세히 설명되지 않은, 선행기술에 공지된, 전지 하우징 측벽(2.1, 2.2)을 통한 외부로부터 용입 용접 방법에 의해 이루어진다.
도 8은 도 6 및 도 7에 도시된 전지(2)의 변형 실시예를 개략적인 입체 분해도에 도시한다.
도 6에서처럼 러그 형상의 측정 접속부(2.11)를 포함하는 전지 하우징 측벽(2.1)의 하부 영역은 전지 하우징 프레임(2.3)의 방향으로 90°구부러진 하부 에지(2.12)를 갖는다. 도 6의 변형예에서 다른 전지 하우징 측벽(2.2)의 상부 영역은 전지 하우징 프레임(2.3)의 방향으로 90°구부러진 2개의 브레킷(2.22)을 갖는다. 조립 시 제 2 하우징 측벽(2.2)의 브래킷들(2.22)은 재료 돌출부(2.31) 옆에서 전지 하우징 프레임(2.3)의 상부 좁은 면(2.32)에 결합하는 한편, 제 1 하우징 측벽(2.1)의 에지(2.12)는 전지 하우징 프레임(2.3)의 하부 좁은 면에 결합한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예로서 다수의 전지(2)로 이루어진 전지 어셈블리(7)를 포함하는 배터리(1)를 개략적인 입체 분해도에 도시된다.
전지 어셈블리(Z)의 형성을 위해 다수의 전지(1)의 극(P+, P-)은 배터리(1)의 소정의 전압 및 출력에 따라서 직렬 및/또는 병렬로 서로 전기 접속된다. 마찬가지로 배터리(1)의 소정의 전압 및 출력에 따라서 전지 어셈블리(Z)는 본 발명의 개선예에서 임의의 개수의 전지(2)로 형성될 수 있다.
전지(2)의 극(P+, P-)의 직렬 전기 접속은 다양한 전기 전위와 인접한 전지들(2)의 전지 하우징 측벽들(2.1, 2.2)의 접촉에 의해 이루어진다. 이 경우 특히 하나의 전지(2)의 전지 하우징 측벽(2.2)은 인접한 전지(2)의 러그 형상의 측정 접속부(2.11)를 포함하는 전지 하우징 측벽(2.1)에 비 형상 끼워 맞춤 결합 방식으로, 형상 끼워 맞춤 결합 방식으로 및/또는 재료 결합 방식으로 전기 접속된다.
예를 들어 자동차, 특히 하이브리드 자동차 및/또는 전기 자동차에서 사용되는 배터리(1)는 본 발명의 도시된 실시예에서 30개의 전지(2)로 형성되고, 상기 전지들은 서로 직렬로 전기 접속된다. 배터리(1)로부터 및/또는 배터리(1) 내로 전기 에너지를 빼내고 및/또는 공급하기 위해 전지 어셈블리(Z)의 제 1 전지(E1)의, 특히 제 1 전지(E1)의 플러스 극(P+)을 형성하는 전지 하우징 측벽(2.2)에 전기 접속 부재(10)가 배치된다. 상기 접속 부재(10)는 전기 접속 러그로서 구현되고, 배터리(1)의 플러스 극 접속부(Ppos)를 형성한다.
특히 마지막 전지(E2)의 마이너스 극(P-)을 형성하는, 전지 어셈블리(Z)의 마지막 전지(E2)의 전지 하우징 측벽(2.1)에도 전기 접속 부재(11)가 배치된다. 상기 접속 부재(11)도 마찬가지로 전기 접속 러그로서 구현되고, 배터리(1)의 마이너스 극 접속부(Pneg)를 형성한다.
본 발명의 도시된 실시예에서 전지 어셈블리(Z)는 열전도 플레이트(3)에 열 결합된다. 이 경우 전지 하우징 측벽들(2.1)은 전지 하우징 프레임(2.3)의 방향으로 90°구부러진 하부 에지(2.12)에 직접 또는 열전도 물질, 특히 열전도 포일(4)을 통해 간접적으로 열전도 플레이트(3)에 열 결합된다.
본 발명의 개선예에서 열전도 물질은 추가로 또는 대안으로서 캐스팅 화합물 및/또는 래커로 형성될 수 있다.
전지 어셈블리(Z)를 형성하도록 전지들(2)의 비형상 끼워 맞춤 결합 방식의 연결을 위해 그리고 전지 어셈블리(Z)에 대한 열전도 플레이트(3)와 열전도 포일(4)의 비형상 끼워 맞춤 결합 방식의 연결을 위해 전지 어셈블리(Z), 열전도 플레이트(3) 및 열전도 포일(4)은 하나의 하우징 프레임 내에 배치된다.
상기 하우징 프레임은 특히 전지 어셈블리(Z)를 완전히 둘러싸는 하나 이상의 클램핑 부재, 예를 들어 클램핑 스트랩(8)으로 형성되고, 상기 클램핑 스트랩들은 전지(2) 또는 전지 어셈블리(Z), 열전도 플레이트(3) 및 열전도 포일(4)을 수평 방향으로 및 수직 방향으로 비형상 끼워 맞춤 결합 방식으로 연결한다.
클램핑 부재(8)의 확실한 지지를 가능하게 하기 위해, 열전도 플레이트(3)의 하부면에 바람직하게 클램핑 부재(8)의 치수에 상응하는 재료 홈(3.2)이 형성된다.
배터리(1)의 상부 영역에서 클램핑 부재(8)는 브래킷(2.13;도 5 또는 2.22;도 7)에 평면으로 배치된다. 클램핑 부재(8), 이 경우 클램핑 스트랩(8)은 양호한 열 전도성, 바람직하게는 비도전성 물질로 제조된다. 클램핑 부재가 변형 실시예에서 도전 물질로 제조되는 경우에, 전지(2)의 상부면과 클램핑 부재(8) 사이 그리고 제 1 전지(E1)와 제 2 전지(E2)의 노출된 단부측과 클램핑 부재(8) 사이의 코팅 또는 중간층에 의해 부재들 사이의 단락을 방지하기 위한 전기 절연이 보장된다.
전지(2)의 상부면에서 클램핑 스트랩(8)의 열전도 접촉에 의해 그리고 클램핑 스트랩(8)의 열전도 특성에 의해 전지(2)의 상부면에서 열 분포 및 거기에서 생성되는 열이 배터리(1)의 하부면에 배치된 냉각 플레이트(3)로 전달될 수 있다. 이로써 상기 배터리(1)의 냉각이 더 개선될 수 있다.
전지(2)의 상부면에서 열전도 접촉 상부면에 제공된 브래킷(2.13 또는 2.22)에 의해 지지되고, 상기 브래킷들은 전지(2)의 전극 스택(2.4) 내에서 생성된 열에 노출된 평평한 전지 측벽(2.1 및 2.2)의 부분이다. 상세히 도시되지 않은 다른 변형 실시예에서 하우징 측벽들(2.1, 2.2; 도 6 또는 도 8 참조) 중 하나의 하우징 측벽은 측면 영역에서 전지 하우징 프레임(2.3)의 방향으로 90°구부러진 각각의 측면 에지를 갖고, 상기 측면 에지는 전지의 조립 시 전지 하우징 프레임(2.3)의 측방향 좁은 면에 결합한다. 이러한 구조적 형상은, 도 9의 클램핑 스트랩들(8) 외에 도 5에 도시된 변형 실시예에서처럼(여기에서 도면부호 9 참조) 클램핑 스트랩들(8)과 교차하는 다른 클램핑 스트랩이 제공되는 경우에, 열전달을 지원한다. 교차하는 스트랩 밴드는 접속 부재들(10, 11)의 고정을 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 상세히 도시되지 않은 개선예에서 소수의 또는 모든 부품들, 즉 전지(2), 열전도 플레이트(3), 열전도 포일(4) 또는 전체 배터리(1)는 대안으로서 또는 추가로 배터리 하우징 내에 부분적으로 또는 완전히 캡슐화되어 장착될 수 있다.
배터리(1)가 예를 들어 리튬 이온 고전압 배터리인 경우에, 일반적으로 예를 들어 전지(2)의 전지 전압을 모니터링하고 보정하는 특수한 전자장치, 특히 배터리(1)의 전력 입출력을 제어하는 배터리 관리 시스템 및 배터리의 오작동 시 배터리(1)를 전력계통으로부터 안전하게 분리하는 안전 부재를 필요로 한다.
본 발명의 도시된 실시예에서 전자 소자(13)가 제공되고, 상기 전자 소자는 전지 전압 모니터링 및/또는 전지 전압 보상을 위한 적어도 상세히 도시되지 않은 수단을 포함한다. 전자 소자(13)는 본 발명의 실시예에서 캡슐화된 전자 유닛으로 형성될 수도 있다.
전자 소자(13)는 전지 어셈블리의 헤드측으로 클램핑 부재(12)와 전지(2)의 전지 하우징 프레임(2.3) 상에 배치된다. 전자 소자(13)의 가능한 한 큰 지지면을 달성하고 동시에 전지 어셈블리(Z)의 상부면에 클램핑 부재(8)의 고정을 달성하기 위해, 각각의 전지(2)의 프레임(2.3)의 상부면에 부분적으로 재료 돌출부(2.31)가 형성되고, 상기 돌출부의 높이는 특히 클램핑 부재(8)의 두께에 상응한다. 전지 어셈블리(Z) 및/또는 클램핑 부재(8)에 전자 소자(13)를 고정하기 위해 상세히 도시되지 않은 비형상 끼워 맞춤 결합 방식, 형상 끼워 맞춤 결합 방식 및/또는 재료 결합 방식의 연결 방법이 이용된다. 전자 소자(13)가 배치되는 클램핑 스트랩(8)을 통해 배터리(1)의 하부면에 배치된 냉각 플레이트(3)로 전자 소자(13) 내에 생성된 열의 전달도 이루어질 수 있다. 이로써 이러한 전자 소자(13)의 냉각은 더 개선될 수도 있다.
전지 어셈블리(Z)와 전자 소자(13)의 전기 접촉을 위해 전지 하우징 측벽(2.1)에 배치된 러그 형상의 측정 접속부들(2.11)이 전자 소자(13) 내에 배치된 콘택 부재(13.3)를 통해 안내되고, 상기 콘택 부재들은 러그 형상의 측정 접속부(2.11)에 상응하는 형태를 갖는다.
또한, 도시되지 않은 다른 전자 유닛이 제공되고, 상기 유닛은 예를 들어 배터리 관리 시스템, 배터리 제어부, 안전 부재 및/또는 배터리(1)의 작동과 제어를 위한 다른 장치를 포함한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예로서 프레임 평판 전지로서 형성된 갈바니 전지(2)와 열전도 장치(14)를 입체도에 도시하고, 이 경우 프레임 평판 전지(2)와 열전도 장치(14)는 설명을 위해 서로 분리되어 도시된다.
도 11에 따라 전지(2)는 도 6 또는 도 8의 실시예와 유사하게 형성된다. 그와 달리, 전지 하우징 측면부들(2.1, 2.2)은 구부러진 섹션(도 6 및 도 8의 2.12, 2.13 또는 2.22)을 포함하지 않고, 전지 하우징 측면부들(2.1, 2.2)의 치수(두께 제외)는 전지 하우징 프레임(2.3)의 치수에 상응한다. 본 발명은 전지(2)의 전지 하우징 측면부들(2.1, 2.2)이 도 6 및 도 8에서처럼 구부러진 섹션을 포함하는 경우에, 이 실시예의 구현에도 효과적이다.
열전도 장치(14)는 베이스(14.1)와 둘러싸는 좁은 에지(14.2)를 가진 납작한 박스로서 형성된다. 이 경우 베이스(14.1)는 열전도 장치(14)의 제 1 넓은 면을 형성하고, 에지(14.2)는 열전도 장치의 4개의 좁은 면을 형성하는 한편, 에지(14.2)의 노출된 에지(14.20)는 열전도 장치(14)의 개방된 제 2 넓은 면을 규정한다. 열전도 장치(14)는 이 실시예에서 양호한 전기 및 열 전도 특성을 갖는 물질, 바람직하게 알루미늄 또는 강 또는 다른 금속으로 이루어진 딥드로잉 부품으로서 제조된다.
에지(14.2)는 상부 영역의 중앙에 재료 리세스(14.3)를 갖는다. 재료 리세스(14.3)의 폭은 전지(2)의 전지 하우징 프레임(2.3)의 재료 돌출부(2.31)의 폭에 유격 없이 상응한다. 열전도 장치(14)의 내측 치수, 특히 내측 높이와 내측 너비는 약간의 유격을 갖도록 전지(2)의 외측 치수에 맞게 조정되므로, 전지들(2)은 열전도 장치(14)의 내부에 배치되고, 힘을 가하지 않고 삽입될 수 있다(도 11의 화살표 "F" 참조). 전지들(2)은 작동 시 가열되고 이로 인해 팽창되는 경우, 전지 하우징은 열전도 부재(14)의 에지(14.2)에 견고하게 접촉할 수 있다. 에지(14.2)의 높이는, 전지(2)의 전지 하우징 측벽(2.2)이 열전도 장치(14)의 베이스(14.1)에 접촉하는 경우, 에지(14.2)가 다른 전지 하우징 측벽(2.1)에 미치지 않도록 치수 설정된다.
열전도 장치(14)를 포함하는 전지들(2)은 도 3-5, 도 9 또는 도 10에 도시된 바와 같이 결합되어 전지 블록 또는 배터리를 형성할 수 있다. 이 경우 열전도 장치(14)는 한편으로는 연속하는 전지들의 콘택 섹션들(K1, K3) 사이의 접촉부로서 작용하고, 다른 한편으로 상기 열전도 장치는 전지(2)의 내부에 생성된 열을 각각의 베이스(14.1)를 통해 외부로, 노출된 에지(14.2)로 전달하고, 거기에서 열은 직접 냉각 플레이트로 방출될 수 있거나(아래로) 또는 클램핑 장치를 통해(위로) 냉각 플레이트로 전달될 수 있다. 전술한 실시예 및 변형 실시예와 유사하게, 단락을 방지하기 위해 열전도 장치(14)와 냉각 플레이트 또는 클램핑 스트랩(도 9의 도면부호 3, 8 참조) 사이의 전기 절연부가 제공될 수 있다.
변형 실시예에서 열전도 장치(14)의 내측 치수는 유격을 갖지 않고, 전지(2)의 외측 치수에 비해 약간의 언더사이즈로 설계되므로, 열전도 장치(14)와 전지(2)는 소정의 힘에 의해 결합될 수 있다.
도면에 상세히 도시되지 않았지만, 클램핑 스트랩들의 수용과 가이드에 이용되는 홈들이 제공될 수 있다.
도 12는 도 11에 따른 열전도 장치(14)의 변형예를 개략적인 입체도에 도시한다.
도 12에 따라 열전도 장치의 에지(14.2)는 에지 중단부(14.4;노치)를 포함하므로, 연속하는 에지(14.2;도 11)는 2개의 측면 에지 섹션(14.21), 하나의 하부 에지 섹션(14.22) 및 2개의 상부 에지 섹션(14.23)으로 세분된다. 에지가 전지(2)에 대해 언더사이즈로 설계되는 경우에, 이러한 변형예에서 결합력이 더 작을 수 있는데, 그 이유는 에지 섹션들(14.21, 14.22, 14.23)은 탄성에 의해 휘어질 수 있기 때문이다. 열전도 장치(14)는 제조 시 먼저 평면 박판부로부터 펀칭되거나 또는 커팅된 후에 형태에 맞게 휘어질 수 있다. 대안으로서 열전도 장치(14)는 딥드로잉 가공되고 커팅될 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예로서 다른 열전도 장치(14)를 입체도에 도시한다.
열전도 장치(14)는 베이스(14.1)와 둘러싸는 높은 에지(14.2)를 가진 납작한 박스로서 형성된다. 이 경우 에지(14.2)는 제 1 넓은 면(14.21), 제 2 넓은 면(14.22) 및 2개의 좁은 면(14.23)을 포함한다. 제 1 넓은 면(14.21)은 상부 에지에 돌출한 브래킷(14.5)을 포함한다. 베이스는 열전도 장치(14)의 제 3 좁은 면을 형성하는 한편, 에지(14.2)의 상부에 위치한 자유 에지(14.20)는 열전도 장치(14)의 개방된 제 4 좁은 면을 규정한다.
열전도 장치(14)는 예를 들어 양호한 전기 및 열 전도성을 갖는 물질, 바람직하게 알루미늄 또는 강 또는 다른 금속으로 이루어진 딥드로잉 가공부로서 제조된다.
도 14는 장착된 배터리 전지(2)를 포함하는 도 13에 따른 열전도 장치(14)를 도시한다.
도 14에 따라 전지(2)는 평판 전지로서 형성되고, 상기 전지는 하우징으로 둘러싸인 평평한 전극 스택 및 전지(2)의 좁은 면(이 경우 상부면)으로부터 이격된 전류 콘택(2.70)을 포함하고, 상기 전류 콘택은 전지(2)의 마이너스 극 접속부(P-)와 플러스 극 접속부(P+)를 형성한다.
도 13의 화살표 "B" 방향으로 구부러진, 열전도 장치(14)의 브래킷(14.5)은 전지(2)의 상부면에 배치된다. 전류 콘택(2.70)은 열전도 장치(14)의 개방 측면에서 자유롭게 액세스 가능하다. 전지(2)의 측면들은 열전도 장치(14)의 벽(14.1, 14.21, 14.22, 14.23)에 밀착되어 접촉하기 때문에, 전지(2)의 내부에 생성된 열이 열전도 장치(14)로 방출된다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예로서 도 13 및 도 14에 따른 열전도 장치(14)에 장착된 다수의 전지들(2)을 포함하는 전지(1)를 입체도에 도시한다.
열전도 장치(14) 내에 장착된 전지들(2)은 함께 전지 블록 또는 전지 어셈블리(Z)를 형성한다. 전지(2)의 전류 콘택들(2.7)은 도시된 실시예에서 직렬로 접속된다.
이 실시예의 배터리(1)에서 냉각 플레이트(3)가 제공되고, 상기 냉각 플레이트는 전지 블록의 한 단부측에 배치된다. 열전도 장치(14)와 냉각 플레이트(3)를 포함하는 전지들(2)은 베이스 플레이트(15)에 지지된다. 클램핑 스트랩(9)은 전지 블록(Z)과 냉각 플레이트(3)를 수평 평면으로 둘러싸고, 따라서 수평 클램핑 스트랩(9)이라고도 한다. 클램핑 스트랩(8)은 전지 블록(Z), 냉각 플레이트(3) 및 베이스 플레이트(15)를 수직 평면으로 둘러싸고, 따라서 수직 클램핑 스트랩(8)이라고도 한다. 이로써 전지 블록(Z), 냉각 플레이트(3) 및 베이스 플레이트(15)는 십자형으로 클램핑된다. 수평 클램핑 스트랩(9)은 열전도 장치(14)의 측방향 좁은 면에 접촉하기 때문에, 수평 클램핑 스트랩(9)은 거기서 열을 흡수할 수 있고, 냉각 플레이트(3)로 방출할 수 있다. 수직 클램핑 스트랩(8)은 열전도 장치(14)의 상부 좁은 면에 그리고 거기에서 열전도 장치(14)의 구부러진 브래킷(14.5)에 배치되기 때문에, 수직 클램핑 스트랩(8)은 거기서 열을 흡수할 수 있고 냉각 플레이트(3)로 방출할 수 있다.
도면에 상세히 도시되지 않지만, 냉각 플레이트(3)는 수평 클램핑 스트랩(9)을 수용하기 위한 홈을 포함할 수 있고, 상기 홈은, 수평 클램핑 스트랩(9)이 냉각 플레이트(3) 및 수평 클램핑 스트랩(8)의 표면에 평면으로 배치되도록 치수 설계될 수 있다. 또한, 열전도 장치(14)의 벽은 클램핑 스트랩들(8, 9)을 수용하기 위한 홈들을 포함할 수 있고, 베이스 플레이트(15)는 수직 클램핑 스트랩(8)을 수용하기 위한 홈을 포함할 수 있다.
변형 실시예에서 베이스 플레이트(15)는 열 전도 물질로 제조되고, 전지 블록(Z) 내에서 열 전달 및 열 분포를 지원한다.
대안 변형 실시예에서 베이스 플레이트(15)는 열 절연 물질로 제조된다. 수직 클램핑 스트랩(8)은 이 변형 실시예에서 베이스 플레이트 내부에서 예컨대 수평으로 연장된 슬롯을 통해 안내될 수 있다.
다른 변형 실시예에서 수직 클램핑 스트랩(8)은 베이스 플레이트(15)의 부분 또는 상기 베이스 플레이트에 견고하게 연결된다.
상세히 도시되지 않은 다른 변형예에서 열전도 부재는 도 13의 열전도 부재(14)처럼 대향 배치된 좁은 면에 배치된 전류 콘택(2.7)을 가진 평판 전지의 수용부에 맞게 조정된다. 이러한 열전도 부재는 열전도 물질로 이루어진 양측면이 개방된 슬리브로서 형성될 수 있다. 이러한 전지에서 전류 콘택은 각각의 좁은 면의 전체 폭에 걸쳐 연장되고, 브래킷을 통해 열 방출을 위해 구부러질 수 있는 브래킷(도 13, 도 14의 14.5 참조)의 형성이 고려되지 않는 경우에, 이러한 열전도 부재에서 열 방출은 폐쇄된 좁은 면을 통해서만 이루어진다. 이러한 경우에 전류 콘택을 통한 추가 열 방출이 이루어질 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예로서 배터리(1)를 입체도에 도시한다.
도 1에 따라 다수의 전지들(2)이 2개의 지지 프레임(16, 16 또는 16, 17) 사이에 배치된다. 전지(2)와 지지 프레임(16, 17)으로 이루어진 어레이는 2개의 단부 플레이트(18, 19) 사이에 배치된다. 대응 너트(21)를 가진 4개의 인장 로드(20)는 전지, 지지 프레임(16, 17) 및 단부 플레이트(18, 19)로 이루어진 결합체의 클램핑을 위해 제공된다.
단부 플레이트(18, 19)는 배터리(1)의 전기 극으로서도 이용된다. 접속을 위해 적절한 접속 장치(23, 24)가 제공된다. 스트럿(25)에 제공된 제어장치(26)는 배터리(1) 및 개별 전지들(2)의 상태 파라미터를 모니터링하기 위해, 충전 보상 및 그와 같은 것을 위해 제공된다. 단부 플레이트들(18, 19) 사이의 단락을 방지하기 위해, 인장 로드(20) 및/또는 대응 너트(21)는 적어도 하나의 단부 플레이트(18, 19)에 대해 전기 절연된다.
이러한 실시예에서 인장 로드(20)는 배터리(1)의 내부에 생성된 열을 흡수한다. 인장 로드는 단부 플레이트(18, 19)와 열 전도 접촉하도록 배치된다. 단부 플레이트(18, 19)를 통해 적절한 냉각 장치(도시되지 않음)에 의해 열이 방출될 수 있다.
냉각 장치로서 예를 들어 알루미늄 또는 다른 양호한 열전도체로 이루어지고 공기가 관류하는 프로파일이 고려되고, 상기 프로파일은 인장 로드에 의해 헤드측 및/또는 너트측에서 단부 플레이트(18, 19)에 나사 결합된다. 대안으로서 단부 플레이트들(18, 19) 중 하나의 단부 플레이트에도 도 15에서처럼 단부측에 열 교환기가 배치될 수 있고, 상기 열 교환기로 인장 로드(20)는 열을 방출할 수 있다. 인장 로드(20)를 통한 다른 방식의 열 방출이 고려될 수도 있다.
도면에 상세히 도시되지 않지만, 전지들(2)은 이 실시예에서 소위 커피백- 또는 파우치 전지로서 형성된다(도 19에 도시된 전지 참조). 이러한 전지들(2)은 전극 스택을 포함하고, 소위 밀봉 시임을 형성하기 위해 에지 섹션에서 밀봉된, 시트 물질(커버링 시트)로 이루어진 하우징을 포함한다. 전류 콘택은 전지(2)의 2개의 좁은 면에서 용접 시임을 통과한다. 전지들(2)은 지지 프레임(16, 17)에 의해 전류 콘택에서 직접 또는 접촉 영역에서, 즉 전류 콘택이 용접 시임을 통과하는 곳의 용접 시임의 영역에서 파지되고, 적어도 거기에서 열이 전류 콘택을 통해 프레임 부재(16, 17)로 방출된다. 인장 로드는 프레임 부재(16, 17)를 통해 연장되고, 전류 콘택과 접촉하는 지지 프레임(16, 17)으로부터 열을 흡수한다. 대안으로서 별도의 콘택 부재들이 제공될 수 있고, 상기 콘택 부재들은 지지 프레임(16, 17)에 의해 파지되고, 전지(2)의 에지 섹션에 압착력을 가하고, 상기 전지로부터 열을 흡수한다. 다른 대안으로서 열은 전지(2)의 넓은 면으로부터 전지들(2) 사이에 배치된 열전도 박판 및/또는 열전도 탄성 부재(도 19, 20 참조)를 통해 지지 프레임(16, 17)에 전달될 수 있고, 상기 지지 프레임으로부터 다시 인장 로드(20)를 통해 계속해서 방출된다.
다른 변형 실시예에서, 전지 블록을 클램핑하고 열을 방출하기 위해, 4개 이상의 인장 로드, 예를 들어 6개 또는 8개의 인장 로드가 제공될 수 있다.
대안으로서 전지 블록의 이러한 형태에서도 예를 들어 열전도 클램핑 스트랩에 의해 클램핑이 이루어질 수 있다(도 1-5 참조). 다른 변형 실시예에서 이러한 클램핑 스트랩들은 예를 들어 이에 제한되는 것은 아니지만 지지 프레임(16, 17) 및 단부 플레이트(18, 19)의 사면(16.1, 17.1, 18.1, 19.1)을 통해 안내될 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예로서 배터리(1)의 구조를 개략도에 도시한다.
배터리(1)는 다수의 개별 전지들(전지)(2)로 구성되고, 상기 전지들은 3개의 열(R1 내지 R3)에 배치된다. 제 1 열(R1)은 배터리 하우징 벽(27)에 인접하게 배치되는 한편, 다음에 연속하는 열들은 열의 폭 만큼 더 배터리 하우징 벽(27)으로부터 이격되어 배치된다. 도면에 각각의 열(R1 내지 R3)의 하나의 전지(2)가 도시되는 한편, 열들의 다른 전지들은 점으로 도시된다. 열(R1 내지 R3)의 길이방향에 대해 가로방향으로 서로 인접하는 배터리 전지들은 전지들(2)의 컬럼(Si)을 규정한다.
이 실시예의 배터리(1)의 전지들(2)은 원통형으로 형성된 전지들(2)이다. 하나의 컬럼(Si)의 전지들(2)은 휘감긴 고정 스트랩(28)에 의해 배터리 하우징 벽(27)에 고정된다. 고정 스트랩(28)은 배터리 하우징 벽(27)으로부터 연장되고, 컬럼(Si)의 전지들(2)을 처음에는 웨이브 형태로 가장 멀리 떨어져 있는 열(R3)의 전지(2)까지 휘감고, 상기 전지를 다시 하나의 고리 모양으로 감은 후에 다시 배터리 하우징 벽(27)으로 연장되고, 이 경우 고정 스트랩은 컬럼(Si)의 전지들(2)을 이전과 반대 순서로 다시 웨이브 형태로 휘감는다. 이로 인해 컬럼(Si)의 전지들(2)은 제 위치에 고정된다.
고정 스트랩(28)은 열전도 물질로 제조된다. 전지(2)를 휘감음으로써 상기 고정 스트랩은 전지와 밀착하여 접촉하고, 전지(2) 내에 생성된 열을 흡수하여 배터리 하우징 벽(27)에 전달한다. 배터리 하우징 벽(27)은 능동 또는 수동적으로 냉각 또는 온도 조절된다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예로서 배터리(1)의 구성을 개략도에 도시한다. 이 실시예는 도 17에 도시된 실시예의 변형예이다. 여기에서 3개의 열(R1 내지 R3)의 전지들(2)은 2개의 하우징 측벽들(27.1, 27.2) 사이에 배치된다. 2개의 고정 스트랩(28.1, 28.2)은 하우징 측벽들(27.1, 27.2) 사이에서 연장되고, 이 경우 상기 고정 스트랩은 배터리 전지들(2)을 웨이브 형태로 휘감는다.
도 17 및 도 18에 도시된 배터리(1)의 고정 스트랩들(28 또는 28.1, 28.1)은 탄성, 바람직하게 잘 휘어지는 물질로 제조된다.
물론, 본 발명은 특정 개수의 컬럼(Si)에 제한되지 않는다. 오히려 본 발명은 전술한 실시예에 따라 배터리 전지들(2)의 하나의 컬럼(S)만을 갖는 배터리에도 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 배터리 전지들(2)의 3개의 열(R1 내지 R3)에 제한되지 않는다. 오히려 본 발명은 전술한 실시예에 따라 배터리 전지들(2)의 더 많거나 또는 적은 열(Ri)을 갖는 배터리에도 적용될 수 있다.
도 17 및 도 18에는 긴 원통형 전지들(2)이 고려되었지만, 변형 실시예에서 그 대신에 도시되지 않은 다른 클램핑 장치에 의해 축방향으로 서로 가압되는 평평한 원통형 전지들, 예컨대 단추형 전지 또는 그와 같은 것의 스택이 제공될 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예로서 배터리 전지(2)의 구성을 입체도에 도시한다.
이 실시예의 배터리 전지들(2)은 포일에 싸인 평평한, 대략 직육면체 형태의 전극 스택(활성 부분)을 갖는 소위 커피백 전지 또는 파우치 전지이고, 상기 포일은 에지 영역에서 밀봉되고, 소위 밀봉 시임(2.8)을 형성한다. 전지(2)의 전류 콘택(2.70)은 밀봉 시임(2.8)을 통해서 연장된다. 전지(2)의 전류 콘택들(2.70)은 일반적인 것에 한정되지 않고 대향 배치된 좁은 면에, 바람직하게는 전지(2)의 더 짧은 좁은 면에 배치된다.
전지(2)의 넓은 면에 탄성 수단들(29;쿠션)이 설치되고, 예컨대 접착 또는 그와 같은 것에 의해 설치된다. 쿠션(29)은 전지(2)를 다른 전지 또는 배터리 하우징 프레임 또는 프레임 부재에 대해 탄성적으로 지지하는데 이용되고, 열 팽창을 보상하거나 또는 충격을 완화하는데 적합하다. 쿠션(29)은 양호한 열전도 특성을 갖는다. 이를 위해 예컨대 휘어질 수 있고 자체로는 특히 비 열전도성으로 형성된 물질, 예컨대 폴리우레탄 폼, 스폰지 고무 또는 그와 같은 것이 양호한 열전도성 커버(포일 또는 그와 같은 것) 내에 배치된다. 커버는 바람직하게 스스로 팽창될 수 있거나 또는 벨로우 형태로 형성되므로, 휘어지는 물질의 이동을 따를 수 있다.
변형예에서 별도의 커버 내에 배치될 수 있는 휘어지는 물질은 이에 제한되는 것은 아니지만 스스로 열전도 특성을 갖는다. 예를 들어 열전도 겔, 금속 스프링, 금속 칩 또는 그와 같은 것의 집합체 또는 금속부로 도핑된 폼이다.
쿠션(29)의 열전도 특성으로 인해 인접한 전지들(2) 사이의 열 보상은 간단해질 수 있다. 인접한 전지들(2) 사이에 예컨대 열전도 박판 또는 그와 같은 열전도 수단이 배치되는 경우에, 전지들(2)의 전지 어셈블리로부터 효과적인 열 방출이 이루어질 수 있고, 이때 전지 어셈블리의 내부에 능동 냉각이 제공되지 않아도 된다. 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 열전도 박판 또는 그와 같은 열전도 수단은 냉각 플레이트 또는 그와 같은 것에 결합될 수 있다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예로서 열전도 장치(30)의 구성을 횡단면도에 도시한다.
이 실시예의 열전도 장치(30)는 하나의 캐리어 구조(30.1)와 2개의 탄성 층(30.2)을 포함한다. 캐리어 구조(30.1)는 예컨대 알루미늄 또는 다른 금속과 같은 양호한 열전도성 물질, 열전도 플라스틱 또는 그와 같은 것으로 제조된다. 상기 캐리어 구조는 횡단면으로 볼 때 하나의 긴 레그(30.11)와 2개의 짧은 레그(30.12)를 가진 T-프로파일 형태를 갖는다. 배터리 전지(2) 내에 생성된 열을 흡수하기 위해, 긴 레그(30.11)는 전지 어셈블리의 배터리 전지들(2;파선으로 도시됨) 사이에 배치되도록 제공된다. 배터리 전지(2)로부터 흡수된 열을 방출하기 위해, 짧은 레그들(30. 12)은 열전도 플레이트(3;점선으로 도시됨) 또는 그와 같은 것에 접촉하도록 배치된다.
긴 레그(30.11)의 2개의 측면에 탄성 층들(30.2)이 배치되고, 예컨대 접착 또는 그와 같은 방식으로 배치된다. 탄성 층들(30.2)은 전지들(2)의 상호 탄성에 의한 지지에 이용되고, 전지들(2)의 열팽창을 보상하고 또는 충격을 완화하는데 적합하다. 탄성 층들(30.2)은 양호한 열전도 특성을 갖는다. 이를 위해 예컨대 휘어질 수 있고 자체로 특히 비 열 전도성으로 형성된 물질, 예컨대 폴리우레탄 폼, 스폰지 고무 또는 그와 같은 것이 양호한 열 전도성 커버(포일 또는 그와 같은 것) 내에 배치된다. 커버는 바람직하게 스스로 팽창될 수 있거나 또는 벨로우 형태로 형성되므로, 휘어지는 물질의 이동을 따를 수 있다.
변형예에서 별도의 커버 내에 배치될 수 있는 휘어지는 물질은 이에 제한되는 것은 아니지만 자체가 열전도 특성을 갖는다. 예를 들어 열전도 겔, 금속 스프링, 금속 칩 또는 그와 같은 것의 집합체 또는 금속부로 도핑된 폼이다.
탄성 층들(30.2)의 열전도 특성으로 인해 인접한 전지들(2) 사이의 열 보상이 간단해질 수 있고, 전지들(2)의 전지 어셈블리로부터 효과적인 열 방출이 이루어질 수 있고, 이때 전지 어셈블리의 내부에 능동 냉각이 제공되지 않아도 된다.
탄성 층들(30.22)은 변형예에서 짧은 레그(30.12)로 연장되므로, 아래로 충격 완화가 달성될 수 있다.
짧은 레그(30.22)와 냉각 플레이트(3) 사이에 전기 절연 열전도 포일 또는 그와 같은 것이 제공될 수 있다.
본 발명은 전술한 바와 같이 구체적인 실시예를 참고로 그 주요 특징들에 대해 설명되었지만, 물론 본 발명은 상기 실시예들에 제한되지 않고, 청구범위에 의해 설정된 범위에서 변형되고 확장될 수 있다.
따라서 본 발명은 리튬 이온 타입의 평판- 또는 원통형 전지에 제한되는 것이 아니라, 본 발명의 기본 컨셉에서 다른 전기화학 조성과 기능의 1차- 및 2차 전지, 연료 전지, 커패시터, 특히 슈퍼캡과 같은 고출력 커패시터 또는 그와 같은 모든 종류의 에너지 저장 장치에 적용될 수 있다.
물론, 기술적으로 가능한 경우에 한해서, 전술한 그리고 도면에 도시된 모든 실시예, 변형 실시예 및 변형예의 모든 개별 특징들은 각각의 다른 실시예, 변형 실시예 및 변형예에서 이용될 수 있다.
배터리(1) 또는 전지 어셈블리 또는 전지 블록(Z)은 본 발명과 관련해서 에너지 저장 장치의 예이다. 전지(2)는 본 발명과 관련해서 저장 전지의 예이다. 클램핑 스트랩(8, 9), 인장 로드(20) 및 고정 스트랩(28, 28.1, 28.2)은 본 발명과 관련해서 클램핑 장치 및 클램핑 부재의 예들이다. 지지 프레임(16, 17)은 본 발명과 관련해서 지지 부재의 예이다. 냉각 플레이트(3)는 본 발명과 관련해서 열 교환 장치의 예이다. 냉각제는 본 발명과 관련해서 열 매체이다.
1 배터리
2 전지
2.1 전지 하우징 측벽
2.11 측정 접속부
2.2 전지 하우징 측벽
2.3 전지 하우징 프레임
2.31 재료 돌출부
2.32 상부 좁은 면
2.33 재료 오목부
2.34 재료 오목부
2.4 전극 스택
2.5 전극 포일
2.6 분리막
2.7 콘택 러그
2.70 폴 콘택(전류 콘택)
2.8 용접 시임
2.9 폴드
2.10 넓은 면
3 냉각 플레이트
3.1 냉각제 접속부
3.2 홈
3.3 냉각 채널
4 열전도 포일
5 압축 플레이트
5.1 홈
6 전방 폴 플레이트
7 후방 폴 플레이트
6.1, 7.1 러그 형상의 연장부
6.2, 7.2 고정 노즈
7.3 홈
8 클램핑 부재
8.1 스프링 영역
8.20, 8.21, 8.22 열전도 부재
8.3 크림프 조인트
8.4 클램핑 영역
8.5 코팅
9 클램핑 스트랩
10 전기 접속 부재
11 전기 접속 부재
13 전자 소자
13.1 전지 전압 모니터링을 위한 장치
13.2 전지 전압 보상을 위한 장치
13.3 콘택 부재
14 열전도 부재
14.1 베이스
14.2 에지
14.20 에지
14.21, 14.22, 14.23 에지 섹션
14.3 리세스
14.4 노치
14.5 브래킷
15 베이스 플레이트
16, 17 지지 프레임
16.1, 17.1 사면
18, 19 단부 플레이트
18.1, 19.1 사면
20 인장 로드
21 너트
22, 23, 24 접속 장치
25 스트럿
26 제어장치
27, 27.1, 27.2 하우징 벽
28, 28.1, 28.2 고정 스트랩
29 쿠션(탄성 수단)
30 열전도 부재
30.1 캐리어 구조
30.11 긴 레그
30.12 짧은 레그
30.2 탄성 층
30.21 휘어지는 물질
30.22 커버
B 휨 방향
E1 제 1 전지
E2 마지막 전지
F 결합 방향
b 폭
h 높이
K1 내지 K3 전압-접속 콘택
P+ 플러스 극
P- 마이너스 극
Pneg 마이너스 극 접속부
Ppos 플러스 극 접속부
t 깊이, 두께
Z 전극 어셈블리

Claims (15)

  1. 다수의 저장 전지, 상기 저장 전지들의 클램핑을 위한 클램핑 장치 및, 상기 저장 전지들 또는 상기 저장 전지들로 형성된 전지 어셈블리의 온도 조절을 위한 온도 조절 장치를 포함하는 에너지 저장 장치에 있어서,
    상기 클램핑 장치는 상기 온도 조절 장치의 기능 부품으로서 설계되고 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 클램핑 장치는 열전도 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서 상기 클램핑 장치는 적어도 부분적으로, 바람직하게는 평면 방식으로 상기 저장 전지의 열 교환 면에 접촉하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저장 전지들은 각기둥 형태, 특히 평판 형태를 갖고, 열 교환 면은 저장 전지들의 적어도 하나의 둘레면, 특히 좁은 면에 제공되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 열전도 부재가 제공되고, 상기 열전도 부재는 열전도 물질로 형성되고, 적어도 부분적으로, 바람직하게는 평면으로 상기 저장 전지들의 열 교환 면에 접촉하고, 이 경우 클램핑 장치는 적어도 열전도 부재의 노출 표면에 접촉하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 저장 전지들 사이에 및/또는 하나의 저장 전지와 다른 부재 사이에 적어도 부분적으로 휘어질 수 있게, 특히 탄성에 의해 휘어질 수 있게 형성된 적어도 하나의 댐핑 부재가 제공되고, 상기 댐핑 부재는 열 전도성으로 형성되고, 저장 전지의 부분 또는 열전도 부재의 부분이거나 또는 저장 전지 또는 열전도 부재의 표면에 장착되거나 또는 저장 전지와 열전도 부재 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 클램핑 장치는 적어도 하나의 클램핑 스트랩을 포함하고, 상기 클램핑 스트랩은 열 전도성 물질로 형성되고, 바람직하게 적어도 부분적으로 자체로 탄성을 갖도록, 특히 웨이브 스프링 형태로 형성되고, 이 경우 바람직하게 다수의 클램핑 스트랩이 제공되고, 상기 클램핑 스트랩들 중 적어도 하나의 클램핑 스트랩은 적어도 하나의 다른 클램핑 스트랩과 중첩하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 클램핑 장치는 다수의 인장 로드를 포함하고, 상기 인장 로드들은 열 전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 클램핑 장치는 지지 부재와 클램핑 부재를 포함하고, 상기 지지 부재는 상기 저장 전지와 교대로 배치됨으로써 저장 전지들이 사이에서 지지될 수 있고, 상기 클램핑 부재는 상기 지지 부재를 저장 전지와 함께 클램핑하고, 이 경우 상기 지지 부재는 적어도 부분적으로 상기 저장 전지의 열 교환 면에 열 결합되고, 상기 클램핑 부재는 적어도 부분적으로 상기 지지 부재의 열 교환 면에 접촉하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 클램핑 장치는 적어도 부분적으로, 특히 평면 접촉에 의해 열 교환 장치의 섹션에 열 결합되고, 이 경우 상기 열 교환 장치는 바람직하게 열 매체 회로에 접속되고, 상기 열 매체 회로는 바람직하게 제어 또는 조절 가능한 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 열 교환 장치는 적어도 부분적으로 저장 전지의 열 교환 면과 접촉하고, 이 경우 저장 전지들은 평판 각기둥 형태를 갖고, 열 교환 면은 상기 저장 전지들의 적어도 2개의, 바람직하게 대향 배치된 좁은 면에 제공되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  12. 활성 부분, 상기 활성 부분을 둘러싸는 하우징 및 열전도 수단을 포함하는 에너지 저장 전지에 있어서,
    상기 열전도 수단은 상기 에너지 저장 전지의 작동 시 적어도 하나의 더 뜨거운 면으로부터 상기 에너지 저장 장치의 작동 시 적어도 2개의 더 차가운 면으로 열을 안내하도록 설계되고 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 전지.
  13. 제 12 항에 있어서, 각기둥 형태의 전기 절연 프레임부, 2개의 평평한 도전 측면부를 포함하고, 이 경우 상기 프레임부과 측면부는 하우징을 형성하고, 상기 활성 부분의 전류 콘택 러그들은 상기 측면부들 중 하나의 측면부에 각각 연결되므로, 상기 측면부들은 프레임부에 의해 서로 전기 절연되는 상기 에너지 저장 전지의 전기 극을 형성하고, 이 경우 상기 프레임부의 바람직하게 대향 배치된 적어도 2개의 좁은 면은 적어도 부분적으로 상기 측면부들 중 적어도 하나의 측면부의 꺾어진 섹션에 의해 커버되는 에너지 저장 전지.
  14. 특히 에너지 저장 전지를 수용하기 위한 얇은 벽 구조를 갖는 열전도 부재에 있어서,
    상기 얇은 벽 구조는 바람직하게 평평한 직육면체 형태를 규정하고, 이 경우 상기 얇은 벽 구조는 적어도 하나의 넓은 면과 상기 넓은 면에 인접하는 적어도 2개의 좁은 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도 부재.
  15. 제 14 항에 있어서, 적어도 하나의 좁은 면은 에너지 저장 전지의 수용 후에 상기 넓은 면에 인접하는 브래킷이 꺾어짐으로써 형성될 수 있고, 이 경우 바람직하게 에너지 저장 전지를 적어도 실질적으로 모든 측면에서 둘러싸는 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 열전도 부재.
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