KR20190077352A - 자동차 배터리 모듈, 전기 구동 모터와 배터리 모듈을 갖는 자동차, 및 자동차 배터리 모듈과 자동차를 제조하는 방법 - Google Patents

자동차 배터리 모듈, 전기 구동 모터와 배터리 모듈을 갖는 자동차, 및 자동차 배터리 모듈과 자동차를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

전기 자동차의 에너지 저장 수단으로 사용하기 위한 적어도 5 kWh의 에너지 함량을 갖는 자동차 배터리 모듈이 공지되어있다. 이러한 배터리 모듈(100)은 다수의 개별 배터리(20)를 포함하며, 각각은 적어도 하나의 하우징(22) 및 하우징 내에 배치된 적어도 하나의 갈바닉 셀(24)을 갖는다. 배터리 모듈은 개별 배터리(20)가 전체적으로 취급될 수 있는 배터리 모듈(100)을 형성하도록 조립되는 결합 장치(50, 60)를 더 포함한다.
배터리 모듈(100)이 왁스를 포함하고 배터리 모듈(100)의 적어도 일부분을 둘러싸는 분무-적용 보호층(104)을 그 바깥쪽에 갖는 것이 제안된다.

Description

자동차 배터리 모듈, 전기 구동 모터와 배터리 모듈을 갖는 자동차, 및 자동차 배터리 모듈과 자동차를 제조하는 방법
본 발명은 적어도 5kWh의 에너지 함량을 갖는 자동차 배터리 모듈 및 전기 구동 모터 및 상기 구동 모터의 공급을 위한 적어도 하나의 자동차 배터리 모듈을 갖는 자동차에 관한 것이다. 본 발명은 또한 자동차 배터리 모듈을 제조하는 방법 및 배터리 모듈 및 배터리 모듈을 수용하기 위한 지지 구조의 영역에서 내식성에 관해 자동차를 구성하는 방법에 관한 것이다.
자동차 구동장치의 전기화는 획기적인 진전을 마주하고 있다. 첫째, 킬로와트시 당 배터리 가격이 지속적으로 하락한다. 둘째로, 더 많은 전기 자동차 충전 소를 사용할 수 있다. 결과적으로, 전기 자동차의 적용 분야는 점점 더 커지고 있으며, 보다 광범위한 소비자 그룹이 전기 자동차를 구입할 수 있게 된다.
자동차의 전기 구동 장치는 일반적으로 다수의 개별 배터리로 구성되는 자동차 배터리 모듈에 의해 공급되고, 각각은 적어도 하나의 갈바닉 셀 및 하나 이상의 셀이 존재하는 하우징을 각각 포함한다.
현재 전기 자동차에 사용되는 개별 배터리는 사실상 독점적으로 리튬 이온 배터리이다. 이 유형의 배터리는 높은 에너지 밀도를 가지며 많은 충전 사이클을 견디고 두드러진 메모리 효과가 없다. 리튬 이온 배터리는 일반적으로 음극에 리튬이 치환된 전이 금속 산화물을 포함하고, 음극에는 흑연과 같은 리튬이 삽입될 수 있는 물질을 갖는다. 전극은 액체 전해질로 적셔진다.
전해질은 전도성 염의 용액이다. 여기서 사용되는 전도성 염은 특히 리튬 헥사 플루오로포스페이트와 같은 불소화 전도성 염이다. 사용되는 용매는 통상 유기 용매, 특히 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트와 같은 유기 카보네이트, 테트라하이드로 퓨란과 같은 고리형 에테르 또는 이들의 혼합물이다.
문제는 언급된 리튬 헥사플루오로포스페이트와 같은 플루오르화된 전도성 염이 매우 반응성인 화합물이라는 것이다. 불소 전도성 염을 포함하는 전해질이 리튬 이온 배터리로부터 탈출하면, 습기와 접촉하여 플루오르화 수소산이 형성된다. 플루오르화 수소산은 극도의 부식성 및 독성 물질로 알려져 있다. 불화 수소산은 사실상 모든 금속에 부식 효과가 있다. 플루오르화 수소산이 예를 들어 자동차의 강철 또는 알루미늄 바디와 접촉하게 되면 부식을 통한 손상이 불가피하다.
원칙적으로, 자동차 배터리 모듈의 개별 배터리의 하우징은 잘 밀봉되어 있고, 종종 용접 또는 주조 금속 용기와 알루미늄 또는 강철과 같은 금속 프레임으로 이루어지며 하나 또는 두 개의 폴 부싱을 통해 개별 배터리의 적어도 하나의 갈바닉 셀이 전기적으로 접촉된다. 전해질이 빠져나올 위험성은 그다지 높지 않다. 그러나, 자동차 배터리 모듈에 더 많은 개별 배터리가 있을수록, 특히 폴 부싱 영역에서 전해액이 빠질 위험이 커진다. 자동차에 예상되는 흔들림 및 진동은 또한 하우징 및 전해질이 빠져나가는 것을 초래할 수 있다.
부식성 성분은 다른 종류의 배터리에도 존재하므로 차량 운전을 위한 대부분의 배터리 모듈에는 캡슐화하려는 구성 요소가 빠져나갈 수 있는 근본적인 위험이 있으며 이는 차체를 손상시킬 수 있다.
차량 제작의 목표는 시체가 수십 년 동안 부식 손상이 거의 없도록 유지하는 것이다. 이 기간은 현재 배터리 모듈을 사용하는 기간을 여전히 초과한다. 그러므로, 사용주기가 끝날 무렵의 전해질이 빠져나가는 위험이 있는 배터리가 고장이 났을 때 계속해서 차체에 손상을 유발해서는 안된다.
목표와 성취
본 발명의 목적은 상기 전해액 누출의 부작용, 특히 언급된 부식 손상을 경감시키거나 개선하기 위한 기술적 해결책을 발견하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 자동차 배터리 모듈, 청구항 5의 특징을 갖는 자동차 및 청구항 7 또는 청구항 12의 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다.
본 발명의 자동차용 배터리 모듈은 전기적으로 구동되는 차량용 배터리 모듈이며, 따라서 적어도 5kWh의 비교적 높은 에너지 함량을 갖는다.
전기 자동차의 에너지 저장 수단의 전형적인 전체 에너지 함량은 전형적으로 20kWh 내지 100kWh이며, 이는 청구 범위 제 1 항의 전제에 따른 하나 이상의 배터리 모듈에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 배터리 모듈은 5 kWh와 200 kWh 사이, 바람직하게는 20 kWh와 100 kWh 사이의 에너지 함량을 가진다.
이러한 배터리 모듈은 일반적으로 직렬로 연결된 다수의 개별 배터리, 바람직하게는 2개의 개별 배터리를 포함한다. 개별 배터리는 각각 개별 배터리의 적어도 하나의 갈바닉 셀을 수용하는 하우징을 갖는다. 상기 하우징은 전해질이 빠져 나오지 못하게 하는 주요 보호 장치이다. 하우징은 바람직하게는 각주형이고 일반적으로 서로 용접된 쉘 몸체 및 리드 몸체를 갖는다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 근본적인 문제는 하우징의 폴 부싱 영역에서의 용접 또는 밀봉이 수년 후에 마모되어 전해액이 빠져나올 수 있다는 것이다. 하우징은 처음에 언급한 바와 같이 알루미늄 또는 강철과 같은 용접 또는 주조 금속 용기 일 수 있다. 플라스틱 하우징도 가능하다.
언급된 개별 배터리는 배터리 모듈로 결합되며, 이는 결합 장치를 통해 달성된다. 결합 장치는 개별 배터리를 기계적으로 묶어서, 조립 과정에서 개별 배터리가 함께 이동하여 차량에 삽입될 수 있도록하는 장치이다.
본 발명에 따르면, 개별 배터리 및 결합 장치에 의해 이와 같이 형성된 배터리 모듈은 전체 배터리 모듈 또는 특히 위험할 수 있는 부분 영역을 덮는 부식 방지 역할을 하는 보호층에 의해 적어도 부분적으로 덮여진다.
상기 보호층은 주로 배터리 모듈의 보호가 아닌 몸체 보호를 위한 것이다. 보호층에 의해 달성되는 것은 손상된 개별 배터리로부터 액체 형태 또는 가스 형태로 빠져나오는 전해질 또는 그의 구성 성분이 몸체의 일부와 접촉할 수 없도록 하는 것이다. 그러나, 보호층은 또한 빠져나가는 전해액이 손상된 개별 배터리에 인접한 개별 배터리의 영역으로 더 적게 들어가서 내부에 손상을 유발하는 효과가 있다.
결합 장치는 개별 배터리를 완전히 둘러싸는 외부 하우징을 포함할 수 있다. 이 경우, 보호층은 외부 하우징의 외부에 적용되고 적어도 상기 외부 층을 주로 덮는다.
이러한 구성의 경우, 외부 하우징은 결함있는 개별 배터리의 케이스에 대한 추가적인 보호를 형성한다. 개별 배터리의 하우징과 모듈의 주변 하우징 모두에 손상이 있을 때만 전해질 또는 그의 구성 요소가 빠져 나간다. 이 경우, 외부 하우징의 외부에 적용된 보호층은 빠져나가는 매체가 몸체의 일부분에 도달하는 것을 방지한다.
또한, 추가적인 보호층이 이 경우에도 외부 하우징에 삽입된 개별 배터리에 직접 적용될 수 있으므로 추가적인 보호가 달성된다.
개별 축배터리를 완전 절연 방식으로 둘러싸는 외장 하우징에 대한 대안으로서, 결합 장치는 선택적으로 개별 축배터리를 부분적으로만 둘러싸고, 개별 축배터리의 하우징의 외부면이 동시에 축배터리 모듈의 외면을 형성할 수 있다. 이 경우, 보호층은 다수의 개별 배터리의 하우징의 외부면의 적어도 일부를 덮는 공통 보호층의 형태를 취한다.
이러한 결합 장치는 개별 배터리를 조합하여 유닛을 형성하는 케이지 또는 트레이와 같이 형성될 수 있다. 개별 배터리의 하우징은 배터리 모듈의 외부 섹션을 형성하고 따라서 분무에 의해 본 발명에 따라 제공된 보호층에 의해 적어도 부분적으로 덮여있다. 보다 상세하게는, 전극이 제공된 개별 배터리의 하우징의 측부는 결합 장치를 통해 접근 가능한 상태로 유지될 수 있어, 개별 배터리의 연결이 개별적인 배터리의 조합 후에 달성되어 배터리 모듈을 형성할 수 있다.
결합 장치는 플라스틱 또는 금속, 특히 강 또는 알루미늄으로된 케이지, 하우징 또는 하프 쉘 형태를 취할 수 있다.
본 발명의 자동차는 전기 구동 모터 및 구동 모터의 공급을 위한 적어도 하나의 자동차 배터리 모듈을 구비한다. 자동차는 또한 적어도 5 kWh의 에너지 함량을 갖는 배터리 모듈을 형성하기 위해 서로 결합되는 다수의 개별 배터리를 갖는 적어도 하나의 배터리 모듈을 갖는다. 상기 배터리 모듈은 위에서 설명한 유형이다.
자동차는 적어도 하나의 전술한 배터리 모듈, 특히 트레이형 지지 구조를 수용하는 지지 구조를 포함하는 몸체를 갖는다.
바람직하게는, 상기 몸체는 지지 구조의 영역 내에 지지 구조의 표면을 코팅하는 보호층과 유사하게 제공된다. 따라서, 전해질의 부식 성분이 몸체의 일부와 접촉하게되는 위험을 줄이는 배터리 모듈상의 보호층이 아니다; 특히 위험한 몸체 부분에는 마찬가지로 분무-적용 보호층이 더 제공된다. 지지 구조는 특히 중공 프로파일을 포함할 수 있다. 이러한 중공 프로파일 내에 홀 등을 고정하는 것이 빠져나가는 전해질 또는 그 구성 요소의 침입 위험을 초래하지 않도록, 이들 중공 프로파일에는 바람직하게는 내부로부터 분무된 보호층이 제공된다.
차량의 지지 구조는 개별적으로 보호층이 제공된 복수의 배터리 모듈을 수용하는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 이들은 바람직하게는 배터리 모듈들 사이의 전기 접속이 달성된 후에 추가의 분무-적용 보호층이 집합적으로 제공되어, 상기 목적을 위한 케이블링이 상기 추가적인 보호층에 의해 덮여진다.
또한, 지지 구조체에 수용된 전체 배터리 모듈은 리드(lid)로 덮여지는 것이 바람직하다. 이것이 보호층에 의해 다시 덮일 때 바람직한 것으로 고려된다.
이상적인 경우, 분무-적용 보호층이 제공된 지지 구조는 분무-적용 보호층을 개별적으로 구비한 배터리 모듈을 수용하고, 공통의 분무-적용 보호층을 다시 한번 제공하여 리드로 덮여지며 상기 리드의 바깥쪽도 분무-적용 보호층으로 코팅된다.
자동차 배터리 모듈을 제조하기 위한 본 발명의 대응 방법은 각각 적어도 하나의 갈바닉 셀과 상기 적어도 하나의 셀이 존재하는 하우징을 포함하는 다수의 개별 배터리가 서로 결합되어 전체적으로 취급될 수 있는 배터리 모듈을 형성하는 것으로 나타난다.
배터리 모듈의 외부에는 분무 작업에 의해 응고에 적합한 분무 가능한 분무 재료의 보호층이 적용되고, 응고 후에는 배터리 모듈의 적어도 부분을 둘러싸는 보호층을 형성한다.
후속적으로 배터리 모듈의 외부에 상기 보호층을 형성하는 분무 재료는 바람직하게는 분무 건(gun) 또는 로봇 안내 분무 도구에 의해 수동으로 배치된다. 분무 재료를 적용하는 작업은 차량의 제조 체인의 다양한 지점에서 고려될 수 있다. 예를 들어, 우선 다른 시간에, 그리고 선택적으로 차체로의 삽입과는 다른 장소에서 보호 층을 갖는 배터리 모듈을 제공한 다음 적절한 운송 포장으로 차량 제조자에게 전달하는 것이 가능하다. 그러나 분무 작업은 차량 제조사에서 이루어질 수도 있다. 예를들어, 먼저 다른 시간에, 그리고 선택적으로 차체로의 삽입과는 다른 장소에서 보호층을 갖는 배터리 모듈을 제공한 다음 적절한 운송 포장으로 차량 제조자에게 전달할 수 있다. 그러나, 선택적으로, 분무 작업은 자동차 제조사에서 수행될 수도 있다. 즉, 차량 제조 과정에서 동일한 분무 장치 및/또는 동일한 분사 스테이션을 사용하여, 배터리 모듈 자체와 몸체 일부에서 함께 보호층의 적용을 수행할 수 있음을 의미한다.
개개의 전지를 접합하여 집합적으로 다수의 개개의 배터리를 완전히 둘러싸는 공통 외부 하우징에 의해 전지 모듈을 얻는 경우, 분무 작업은 바람직하게는 상기 외부 하우징의 외부에 보호 층을 제공한다. 보호층은 전체 외부층에 적용되거나 전체 외부 층 근방(>90°)에 적용되거나 또는 두 개의 하우징 쉘 사이의 분할 영역과 같이 특정 위험이 있는 영역에만 선택적으로 적용된다.
개개의 배터리가 집합적으로 다수의 개개의 배터리를 둘러싸는 개방 결합 장치에 의해 배터리 모듈의 외부를 형성하는 개개의 배터리 하우징 부분과 함께 배터리 모듈을 제공하도록 결합되는 경우, 분무 작업은 개별 배터리의 하우징의 노출 된 외부에 공통 보호층을 제공하는 것이 바람직하다. 이 경우, 연속 분무 작업 중에 공통의 보호층이 개별 배터리의 몇 개, 특히 개별 배터리의 극이 제공되는 하우징측 영역에 형성된다.
개개의 배터리가 보호층의 적용 전에 서로 연결되는 것이 유리한 것으로 고려된다. 주변의 외부 하우징을 갖는 하나의 구성에서, 보호층을 적용한 후에 외부 하우징의 개구가 일반적으로 보호층을 손상시키지 않는 통상 가능하지 않기 때문에, 이는 일반적으로 절대적으로 필요하다.
개별 배터리의 하우징을 깨끗하게 유지하는 결합 장치를 갖는 일 구성에서, 개별 배터리들 간의 접속을 위해 적용된 접속 와이어는 또한 보호층에 의해 적셔진다. 분무 작업 후에 절연 보호층에서 극을 없앨 필요가 없다.
보호층의 적용에 앞서, 배터리 모듈의 연결을 위한 적어도 하나의 접촉부의 보호를 위해, 상기 접촉부에 임시 커버가 제공되는 것이 또한 바람직할 수 있다. 이러한 일시적인 커버는 예를 들어 분무하기 전에 극 접촉부 위로 가압된 작은 플라스틱 캡의 형태로 제공될 수 있다.
배터리 모듈의 영역에서의 내식성 및 배터리 모듈의 수용을 위한 지지 구조와 관련하여 자동차를 구성하기 위한 본 발명의 방법은 배터리 모듈이 지지 구조 내로 삽입되기 전 또는 후에 상술한 방법에 의한 내식층이 제공되는 것으로 상정된다.
지지 구조에 배터리 모듈을 삽입하기 전에, 지지 구조의 표면에도 보호층이 제공되는 경우, 지지 구조체상의 상기 보호층은 배터리 모듈의 보호층과 동일한 분무 재료로 구성되는 것이 바람직하며, 특히 바람직하게는 동일한 분무 장치에 의한 공통 분무 작업 중에 적용된다. 특히 배터리를 차체로 삽입하기 직전 보호층의 분무 적용 공정에서, 한가지 옵션은 보호층을 갖는 배터리 모듈의 즉각적인 환경에서 위험한 배터리 모듈 자체뿐만 아니라 몸체 영역을 제공하는 것이다. 이것은 부식에 대한 추가적인 보호 조치를 달성한다.
상기 배터리 모듈 및 필요에 따라 몸체 지지 구조에서 사용되는 보호층은 액체 또는 기체 형태 또는 이들의 성분으로 빠져나가는 전해질 액체가 몸체의 일부분에 도달하여 손상을 일으키는 것을 방지하기 때문에 몸체를 부식으로부터 보호하도록 기능한다. 분무 재료에 대해 어떤 요구가 바람직하게 이루어져야 하는지에 대한 설명이 하기된다.
분무 재료는 전기 절연 보호층을 형성하도록 설계되는 것이 바람직하다. 상기 목적을 위해, 일반적으로 전기적으로 비전도성 구성 요소를 포함하거나 전기적으로 비전도 상태로 변환될 수 있다. 그러나, 분무 재료 및 그에 의해 형성된 보호층은 분무 또는 후속 경화 과정에서 예를들어 휘발성 부분 성분이 배출될 수 있기 때문에 동일한 성질을 가질 필요가 없다. 관련성이 있는 것은 형성되는 보호층이 언급된 전기 절연 효과를 갖는다는 것뿐이다. 상기 효과는 일반적으로 기름 또는 왁스와 같은 방부제의 경우에 존재한다. 따라서, 분무 재료 및 따라서 보호층은 바람직하게는 왁스를 포함한다.
적절한 분무 재료의 성분은 일반적으로 층 형성 성분 및 선택적으로 캐리어 성분이며, 일반적으로 층 형성 성분이 용해되거나 분산되는 용매 또는 분산제이다. 캐리어 성분이 없는 경우, 층 형성 성분은 일반적으로 그 자체의 분산성이 보장될 수 있도록 자체가 액체 형태이다.
적합한 층 형성 성분은 예를 들어, 자동차의 공동 보존 영역에서 사용되는 것으로서 상업적으로 입수 가능한 왁스이며, 단, 이로부터 형성된 분무 물질 및/또는 이로부터 형성된 보호층에 전기적으로 전도성을 부여하는 전기 전도성 첨가제를 함유하지 않는다.
왁스는 바람직하게는 광유 기반 왁스, 특히 파라핀 왁스이다.
더욱 바람직하게는, 왁스, 특히 광유-기반 왁스, 더욱 바람직하게는 파라핀 왁스는 30 내지 95℃, 보다 바람직하게는 35 내지 85℃의 응고점을 갖는다.
또한 특히 바람직한 실시예에서, 추가층 형성 성분으로서의 왁스뿐만 아니라 분무 재료는 추가로 결합제, 특히 응고 후에 적어도 100℃, 더욱 바람직하게는 120℃의 열 안정성을 갖는 결합제를 포함한다. 응고 후, 이러한 결합제는 왁스를 혼입시킨 매트릭스를 형성할 수 있다. 언급된 100°C, 특히 120°C 이상의 온도에서도 매트릭스가 유지된다.
왁스는 단순한 냉각에 의해 고화될 수 있지만, 잘 알려진 바와 같이, 결합제의 경우에는 물리적 건조(즉, 용매의 제거) 및/또는 화학 반응에 의해 응고가 이루어진다.
왁스와 결합제의 조합은 두께가 수 ㎛ 인 특히 얇은 보호층을 제공할 수 있게 한다. 결합제를 단독으로 사용하면 효과적인 보호층을 만들 수 있다.; 효과적인 부식 방지를 위해, 상기 층은 바인더로부터 단독으로 형성되어야 하지만, 일반적으로 100 ㎛를 초과하는 구분된 두께 또는 다층 형태로 존재해야 한다. 왁스와 결합하여, 상당히 작은 두께로 충분하다.
결합제로서, 분무 재료는 예를 들어 알키드 수지, 아크릴 수지, 폴리에스테르, 우레탄, OH 작용기를 갖는 천연 및 합성 오일, 산화된 왁스 및 페트로라텀, 및 OH 작용기를 갖는 탄화수소 수지를 포함할 수 있다. 이들 결합제는 일반적으로 아미노기, 카르복실기 및 히드록실기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 작용기를 갖는다.
바람직한 실시예에서, 층 형성 성분은 적어도 하나의 결합제 및 적어도 하나의 경화제의 조합을 포함한다. 당업자는 목적에 적합한 결합제 및 경화제의 조합을 알고 있다. 언급된 결합제는 예를 들어 아민, 과산화물, 디이소시아네이트 및 이들의 혼합물을 기재로 한 경화제와 결합될 수 있다. 이러한 경화제의 특정 예는 디페닐메탄 디이소시아네이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 톨루엔 디이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트 및 이들 화합물의 유도체를 포함한다.
바람직하게는, 결합제는 층 형성 성분의 응고 및/또는 응고시 제거되어야 하는 용매가 없다.
보다 바람직하게는, 분무 재료는 결합제로서 왁스뿐만 아니라 산화 가능한 및/또는 특히 폴리에스테르를 기재로 하는 왁스를 혼입시킨 매트릭스를 형성할 수 있는 방사선에 의한 가교 결합제를 포함한다. 이들의 적절한 예는 라디칼이 없는 가교 결합 가능한 측쇄를 갖는 폴리에스테르 수지이다.
추가의 바람직한 실시예에서, 분무 재료는 왁스뿐만 아니라 우레탄 수지, 알키드 수지 또는 아크릴 수지를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 분무 재료의 가공 특성 또는 보호층의 성질에 영향을 미치는 하나 이상의 첨가제가 층 형성 성분에 첨가될 수 있다. 이러한 첨가제는 예를 들면, 황산 칼슘과 같은 방부 첨가제, 탈크와 같은 충전제, 유동학적 첨가제, 결합제의 경화에 영향을 미치는 촉매 및 보호층의 신장성 및 탄성에 영향을 미치는 가소제 일 수 있다. 유용한 가소제의 예로는 디에틸헥실 프탈레이트와 같은 프탈레이트가 포함된다. 예를 들어, 폴리우레탄 기반 폴리머는 특히 우수한 절연 효과를 갖는다.
상술한 바에 따르면, 바람직한 실시예에서, 분무 재료는 전기 전도성이거나 보호층이 전기 전도성이 되도록 하는 임의의 성분을 포함하지 않는다.
캐리어 성분으로서, 분무 재료는 원칙적으로 층 형성 성분, 예를 들어 유기 용매 또는 물의 응고 및/또는 응고시에 제거되는 용매를 또한 함유할 수 있다. 그러나, 그러한 용매가 없는 것이 보다 바람직하다.
보다 바람직하게는, 분무 재료는 캐리어 성분으로서 미네랄 오일, 특히 포화 결합 및/또는 포화 환형 및/또는 방향족 탄화수소로 구성된 미네랄 오일을 포함한다. 미네랄 오일은 일반적으로 급격한 융점을 갖지 않지만 매우 넓은 비등 범위를가진다. 예를 들어, 디젤 연료는 섭씨 수백도를 넘는 끓는 범위를 가진다. 더욱 바람직하게는, 광유는 상기 언급된 용매와 같은 층 형성 성분의 강화 및/또는 강화시에는 제거되지 않지만, 왁스와 같은 결합제에 의해 형성된 매트릭스 내로 혼입된다. 이러한 목적으로, 40℃ 이하, 바람직하게는 60℃ 이하, 더욱 바람직하게는 80℃ 이하로 비등하는 임의의 성분을 포함하지 않는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 광유의 비등 범위는 80℃ 내지 120℃ 범위이다.
본원에서, 캐리어 성분은 주로 왁스를 용해시키고 분무 재료의 점도를 조절하는 역할을 한다. 23℃에서의 분무 물질의 전단 점도(DIN 53019-1/DIN EN ISO 3215에서 측정 가능)는 바람직하게는 80 내지 240 mPas, 바람직하게는 150 내지 190 mPas 범위의 값으로 조정된다. 이는 특히 캐리어 성분뿐만 아니라 왁스가 추가의 층 형성 성분으로서 기재된 결합제를 포함하는 경우에 바람직하다. 분무 재료의 인화점이 낮게 유지되도록, 바람직하게는 과도하게 저비등점 성분을 갖는 미네랄 오일은 상기 목적을 위해 사용되지 않는다. 인화점(DIN EN ISO 2719에서 결정)은 120°C 이상인 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는, 상기 분무 재료는 하기 성분을 하기 비율로 포함한다:
- 층 형성 성분으로서 왁스의 5 중량 % 내지 15 중량 %,
- 다른 층 형성 성분으로서 결합제의 10 중량 % 내지 40 중량 %, 바람직하게는 15 중량 % 내지 35 중량 %,
- 첨가제의 30 내지 60 중량 %, 및
- 캐리어 성분으로서 광유의 5 중량 % 내지 15 중량 %, 바람직하게는 캐리어 성분으로서 광유의 5 중량 % 내지 10 중량 %.
상기 비율은 분무 재료에서 100 중량 %까지 첨가한다.
분무 재료는 바람직하게는 적어도 4%의 신장율을 갖는 응고된 보호층을 형성하도록 설계된다. 이것은 자동차의 맥락에서, 작동시의 흔들림 및 진동이 예상되는데, 이는 항복시 낮은 신장률을 갖는 과도하게 단단한 층이 균열을 야기할 가능성이 높으며 따라서 적어도 보호 효과의 부분적인 손실 위험을 초래한다.
분무 재료는 바람직하게는 배터리 모듈의 외부의 피복 영역에서 5㎛와 0.5mm 사이의 보호층의 층 두께를 유도하는 양으로 적용된다. 재료에 따라 더 큰 층 두께가 또한 가능할지라도, 더 낮은 층 두께가 일반적으로 충분하다는 것이 판명되었다. 또한, 보다 두꺼운 층은 균열 경향이 증가한다. 더욱 바람직하게는, 층 두께는 5 ㎛ 내지 50 ㎛, 보다 바람직하게는 15 ㎛ 내지 20 ㎛이다. 따라서 페인트 코팅의 통상적인 층 두께보다 훨씬 적다. 이러한 바람직한 범위 내에서, 실제 층 두께는 코팅될 표면의 거칠기에 따라 선택될 수 있다. 낮은 거칠기의 경우, 명시된 범위의 하단에서 두께를 선택하는 것이 바람직하다.
특히 바람직한 실시예에서, 보호층 내로 층 형성 성분에 및 그에 따라 분무 재료에 매립되는 방화 또는 난연성 성분, 특히 CO2를 갖는 저장조를 추가할 수도 있다.
화재의 경우, 예를 들어 작은 캡슐의 형태로 존재하는 상기 저장조는 열에 의해 열리고 화재 지연제를 방출한다. 이것은 예를 들어, 결합된 형태의 CO2 일 수 있다. 이러한 착색은 이미 왁스의 제조 과정에서 도입될 수 있다.
이러한 최종 용도를 위해 제조된 특정 분무 재료뿐만 아니라 공동 보존을 위한 전형적인 유성 또는 왁스성 방부제가 또한 사용될 수 있음이 밝혀졌다. 이들은 예를들어 Fuchs Schmierstoffe GmbH 및 Pfinder KG로부터 얻을 수 있다. 상기 방부제 왁스의 사용은 어떠한 경우에도 차량 제조 과정에서 사용되기 때문에 바람직할 수 있으며, 몸체의 부분 및 배터리 모듈에 대한 왁스의 적용이 제조 과정에서 결합될 때 제조 공정의 단순화를 암시할 수 있다.
본 발명의 다른 장점 및 양태는 하기 도면을 참조하여 설명되는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 청구 범위 및 다음의 설명으로부터 명백하다.
도 1A 및 도 1B는 개별 배터리가 배터리 모듈을 형성하도록 의도된 바와 같이 결합된 완전한 및 횡단면 상태의 개별 배터리를 도시한다.
도 2는 다수의 개별 배터리 및 개별 배터리를 결합하여 배터리 모듈을 형성하기 위한 케이지형 결합 장치.
도 3은 도 2에 따른 결합 장치 내로 개별 배터리들을 조합함으로써 얻어지는 배터리 모듈.
도 4는 보호층의 적용후 도 3의 배터리 모듈.
도 5는 다수의 개별 배터리 및 개별 배터리를 조합하여 배터리 모듈을 형성하는 하우징형 결합 장치.
도 6은 도 5에 따른 결합 장치 내로 개별 배터리들을 조합함으로써 얻어지는 배터리 모듈.
도 7은 보호층의 적용후 도 6의 배터리 모듈.
도 8 내지 도 10은 전체 배터리를 형성하기 위한 배터리 모듈들의 번들링.
도 11은 차체와 상기 차체의 수용 영역이 배터리 모듈을 수용하기 위해 제공되는 것을 도시.
도 12는 배터리 모듈이 삽입된 차체.
도 1A는 본 발명의 배터리 모듈에 사용된 개별 배터리(20)를 도시한다. 상기 개별 배터리(20)는 드릴 홀을 갖는 하우징(22)과 두 지점에서 접촉부(26)를 갖는다. 도 1B는 개별 배터리(20)를 단면도로 도시한다. 하우징(22) 내에는 세퍼레이터에 의해 분리된 양극 및 음극이 교호하는 갈바닉 셀(24)이 배치되어 있음을 알 수 있다. 하우징(22)은 쉘 몸체(22A)와 리드(22B)를 갖는 것이 명백하다. 개별 배터리의 특정 구성에 따라, 이들은 하우징(22)에 마찬가지로 존재하는 전해질이 가스 형태로 흘러나오거나 빠져나갈 수 없도록 용접과 같이 다양한 방식으로 서로 결합된다. 셸 몸체(22A)와 리드(22B) 사이의 접촉 라인뿐만 아니라 접촉 섹션(26)의 영역에서 상세히 도시되지 않은 폴 부싱은 근본적으로 전해액이 여기에서 빠져 나올 수 있는 것처럼 개별 배터리의 마모 과정에서 누설될 위험이 있다.
한편으로 도 2 내지 4와 다른 한편으로 도 5 내지 7은 개별 배터리로 구성된 배터리 모듈의 다양한 변형예를 도시한다.
도 2 내지 도 4의 구성의 경우, 다수의 개별 배터리(20)를 수용할 목적으로 사용되는 결합 장치(50)로서 일종의 케이지가 제공되어 조립 공정에서 나중에 함께 처리될 수 있다. 도 3B는 본질적으로 완성된 배터리 모듈(100)의 조립 상태를 도시한다. 개별 배터리(20)는 언급된 결합 장치(50)에 삽입되고 커넥터(30)에 의해 서로 직렬로 연결된다. 도 3의 상기 상태에서, 배터리 모듈(100)이 원칙적으로 활용될 수 있다. 그러나, 개별 배터리(20)로부터 전해질이 빠져나오는데 대한 유일한 보호수단은 각각의 하우징(22)이다.
따라서, 노출된 접촉부(26)에 먼저 임시 커버(200)를 구비한 후에 적용되는 또 다른 보호층(104)이 제공된다. 도 4로부터 명백한 바와 같이, 보호층은 모든 개별 배터리(20)를 집합적으로 덮는 배터리 모듈의 상부에 장착된다. 이는 예를 들어 분무 건(spray gun) 또는 로봇 분무 도구에 의해 수행된다. 층 두께는 바람직하게는 약 0.3 mm이다. 상기 왁스와 바인더의 조합을 갖는 분무 재료를 사용하는 경우, 층 두께는 바람직하게는 5 ㎛ 내지 50 ㎛이다. 개별 배터리(20)의 하우징(22)이 고장 나면, 방출되는 전해질은 보호층(104) 아래에 있기 때문에 처음에 자유로이 빠져 나올 수 없다. 물론 부식 작용으로 인해 또한 실패할 위험이 있지만 그럼에도 불구하고 전해액이 몸체의 일부와 접촉하여 부식 작용을 나타낼 위험이 줄어든다. 도 4로부터 명백한 바와 같이, 임시 커버(200)를 제거한 후, 접촉부(26)는 전력 케이블의 연결을 위해 준비된다. 커버(200)는 분무 작업에서 중공 소재가 청결을 유지하도록 한다.
도 5에 따른 구성에서, 각 배터리(20)를 결합하여 집합적으로 취급될 수 있는 배터리 모듈(100)을 형성하는 결합 장치(60)는 하우징 쉘(62B) 및 하우징 리드(62A)를 갖는 외부 하우징(62)의 형태로 제공된다. 접촉부(26)는 개별 배터리(20)의 접촉부(26)에 상세히 도시되지 않은 방식으로 연결되는 하우징 리드(62A) 상에 또한 제공된다.
이러한 구성에서, 개별 배터리(20)는 먼저 하우징 쉘(62B) 내로 삽입된 다음 하우징 리드(62A)에 의해 폐쇄된다. 개별 배터리(20)를 하우징 쉘(62B)에 삽입하고 하우징 리드(62A)을 장착하기 전에, 도 2 내지도 4에 도시된 방식으로 보호층을 직접 제공하는 것이 본 발명에 따라 가능하다. 그러나, 상기 보호층은 또한 도 6에 도시된 바와 같이 외부 하우징(62)이 폐쇄될 때에만 적용될 수 있다. 이 경우에, 상술한 바와 유사한 방식으로, 접촉부(26)에는 차례로 약 0.3 내지 0.5 mm의 두께를 갖는 보호층(104)을 이어서 제공하기 위해 임시 커버(200)가 제공된다. 도 5 내지 도 7의 구성의 경우, 상기 보호층은 접촉부(26)를 제외하고 완전히 외부 하우징(62)을 둘러싸고 있다. 그러나, 접촉부(26)의 바로 인접한 환경과 하우징 부분의 접촉 영역(64) 주위 영역에는 보호층이 제공되는 구성도 역시 생각할 수 있다. 전술한 바와 같이, 보호층의 두께는 상기 왁스와 결합제의 조합을 사용하는 경우, 더 낮게 즉 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 것이 바람직하다.
도 8 내지 도 10은 배터리 모듈(100)을 위한 지지 구조(112)를 도시한다. 이 경우 지지 구조(112)는 총 12개의 배터리 모듈(100)을 수용하고, 중공 프로파일들(112A, 112B) 및 베이스 시트(112C)로 이루어진다. 지지 구조는 보호층(114)으로 코팅되고, 상기 보호층(114)은 또한 전해질 구성 요소가 들어감에 따른 부식을 방지하기 위해 중공 프로파일(112A, 112B) 내에 제공된다. 이러한 침입의 위험은 특히 홀 등을 고정하기 때문에 발생한다.
배터리 모듈(100)은 지지 구조(112) 내로 삽입되어 도 9에 도시된 방식으로 준비되어 내부에 고정되고 그후 서로 연결된다. 이어서, 배터리 모듈(100) 및 선택적으로 케이블링을 집합적으로 덮는 동일하거나 다른 유성 또는 왁스성 분무 재료로 구성된 추가 보호층(115)이 적용된다.
최종적으로, 삽입된 배터리 모듈(100)을 갖는 지지 구조(112)는 도 10에 도시된 바와 같이 다른 보호층(1177)에 의해 다시 덮여지는 공통 리드(116)에 의해 덮힌다.
도 11 및 도 12는 자동차(120)의 몸체(110) 내로의 설치를 도시한다. 본 발명의 배터리 모듈이 의도되는 자동차는 자동차를 구동하기 위한 적어도 하나의 전기 구동 모터(122)를 갖는다. 배터리 모듈은 전형적으로 차량의 베이스에 수용된다. 상기 목적을 위해, 수용 트레이는 도 8 내지 도 10에 따라 설계될 수 있는 지지 구조(112)로 제공된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 배터리 모듈(100)은 수용 트레이에 삽입된다. 상기 자동차의 수년간의 사용 수명 동안 배터리가 손상되어 수용 트레이의 영역에서 차체의 관련 약화를 초래하는 위험은 전형적으로 배터리 모듈(100)의 보호층(104)에 의해 저지된다. 또한, 도 11에서 명백한 방식으로, 보호층(114)은 또한 수용 트레이로서 구성된 지지 구조(112)의 내부 상에 배터리 모듈 (100)을 지지하는 몸체 자체 부분의 표면에 제공될 수 있다.

Claims (21)

  1. 적어도 5 kWh의 에너지 함량을 가지는 자동차 배터리 모듈(100)로서,
    a. 배터리 모듈(100)이 하우징 내에 배치된 적어도 하나의 갈바닉 셀(24)을 각각 갖는 복수의 개별 배터리(20)를 포함하고,
    b. 상기 배터리 모듈은, 개별 배터리(20)가 전체적으로 취급될 수 있는 배터리 모듈(100)을 형성하도록 조립되는 결합 장치(50, 60)를 포함하며,
    c.상기 배터리 모듈(100)은 그 바깥쪽에 왁스를 포함하고 배터리 모듈(100)의 적어도 일부를 둘러싸는 분무-적용된 보호층(104)을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    a. 결합 장치(60)는 개별 배터리(20)를 완전히 둘러싸는 외부 하우징(62)을 포함하고,
    b. 보호층(104)은 외부 하우징(62)의 외부에 적용되어 적어도 외부 표면을 주로 덮는 것을 특징으로 하는 자동차 배터리 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    a. 개별 배터리(20)의 하우징(22)의 외부면이 배터리 모듈(100)의 외면을 동시에 형성하도록 결합 장치(50)가 개별 배터리를 부분적으로 둘러싸고,
    b. 보호층(104)은 다수의 개별 배터리(20)의 하우징(22)의 적어도 외면을 덮는 공통 보호층의 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 자동차 배터리 모듈.
  4. 전기 구동 모터(122) 및 상기 전기 구동 모터(122)의 공급을 위한 적어도 하나의 자동차 배터리 모듈(100)을 갖는 자동차(120)로서,
    a. 상기 자동차는 함께 조립되어 적어도 5 kWh의 에너지 함량을 갖는 배터리 모듈(100)을 형성하는 다수의 개별 배터리(20)를 갖는 적어도 하나의 배터리 모듈(100)을 가지며,
    b. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따라 배터리 모듈(100)이 설계되는 것을 특징으로 하는 자동차.
  5. 제 4 항에 있어서,
    a. 자동차가 하나 이상의 배터리 모듈(100), 특히 트레이형 지지 구조(112)를 수용하는 지지 구조(112)를 포함하는 몸체(110)를 가지며,
    b. 상기 몸체(110)에는 상기 지지 구조(112)의 영역에 상기 지지 구조(112)의 표면을 덮는 보호층(114)이 제공되는 것을 특징으로 하는 자동차.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    a. 다수의 배터리 모듈(100)이 지지 구조(112)에 존재하고,
    b. 상기 다수의 배터리 모듈(100)은 적어도 하나의 다른 분무-적용된 보호층(115)에 의해 집합적으로 덮이고, 및/또는 다수의 배터리 모듈(100)은 추가의 분무-적용 보호층(117)이 제공되는 외부측면에 공통의 리드(116)에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 자동차.
  7. 적어도 5 kWh의 에너지 함량을 가지는 자동차 배터리 모듈(100)을 제조하는 방법에 있어서,
    a. 적어도 하나의 갈바닉 셀(24) 및 상기 적어도 하나의 셀(24)이 존재하는 하우징(22)을 각각 포함하는 다수의 개별 배터리(20)가 결합 장치(50, 60)에 의해 서로 결합되어 전체적으로 취급할 수 있는 배터리 모듈(100)을 얻고,
    b. 왁스를 포함하고 응고에 적합한 분무 가능한 분무 재료의 보호층(104)이 분무 작업에 의해 배터리 모듈(100)의 외부에 적용되고, 응고 후 보호층(104 배터리 모듈의 적어도 일부를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    a. 복수의 개별 배터리(20)를 집합적으로 둘러싸는 공통의 외부 하우징(62)에 의해 개별 배터리(20)를 결합하여 배터리 모듈(100)을 형성하고,
    b. 분무 작업시에, 상기 외부 하우징(62)의 외부에 보호층(104)이 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    a. 개별 배터리(20)의 하우징(22)이 집합적으로 배터리 모듈(100)의 외부를 형성하응 복수의 개별 배터리(20)를 집합적으로 둘러싸는 개방 결합 장치(50)에 의해 배터리 모듈(100)을 형성하도록 개별 배터리(20)가 결합되고,
    b. 분무 작업시에 배터리 모듈(100)의 외부를 형성하는 하우징(22)의 외부면은 개별 배터리(20)에 공통 보호층(104)을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a. 개별 배터리(20)는 보호층을 적용하기 전에 이미 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a. 상기 보호층을 적용하기 전에 상기 배터리 모듈의 연결을 위한 적어도 하나의 접촉부(26)를 보호하기 위해 상기 접촉부에는 임시 커버(200)가 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 배터리 모듈(100)을 수용하도록 배터리 모듈(100) 및 지지 구조(112)의 영역에서 내식성에 관하여 자동차(120)를 구성하는 방법에 있어서,
    a. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 지지 구조(112)에 삽입되기 전 또는 삽입된 후에, 배터리 모듈(100)에 보호층(104)이 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    a. 지지 구조(112)에 배터리 모듈(100)을 삽입하기 전에, 지지 구조(112)의 표면에도 보호층(114)이 제공되고, 상기 지지 구조(112)상의 보호층(114)은 바람직하게는 배터리 모듈(100)의 보호층(104)과 동일한 분무 재료로 이루어지며, 특히 바람직하게는 동일한 분무 장치에 의해 공통 분무 작업 중에 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 전항 중 어느 한 항에 따른 자동차 배터리 모듈, 자동차 또는 방법에 있어서,
    a. 상기 분무 재료는 왁스로서 30 내지 95 ℃ 범위의 응고점을 갖는 파라핀 왁스를 포함한것을 특징으로 하는 자동차 배터리 모듈, 자동차 또는 방법.
  15. 전항 중 어느 한 항에 따른 자동차 배터리 모듈, 자동차 또는 방법에 있어서,
    a. 분무 재료는 추가의 층 형성 성분으로서 응고 후 왁스를 혼입시킨 매트릭스를 형성하는 결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 배터리 모듈, 자동차 또는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    a. 결합제는 산화 및/또는 방사선에 의해 가교 결합 가능한 결합제인 것을 특징으로 하는 자동차 배터리 모듈, 자동차 또는 방법.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a. 분무 재료는 캐리어 성분으로서 미네랄 오일을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 배터리 모듈, 자동차 또는 방법.
  18. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a. 분무 재료는 층 형성 성분의 고형화에서 제거되어야 하는 용매가 없는 것을 특징으로 하는 자동차 배터리 모듈, 자동차 또는 방법.
  19. 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a. 분무 재료는 80℃에서 240 mPas의 범위에서 23℃에서의 전단 점도(DIN 53019-1/DIN EN ISO 3215에서 측정 가능)를 가지는 것을 특징으로 하는 자동차 배터리 모듈, 자동차 또는 방법.
  20. 전항 중 어느 한 항에 따른 자동차 배터리 모듈, 자동차 또는 방법에 있어서,
    a. 분무 재료는 적어도 4%의 수율에서 신장율을 갖는 응고된 보호층을 형성하도록 설계되고, 및/또는
    b. 평균 층 두께는 5㎛와 0.5mm 사이이고, 및/또는
    c. 분무 재료는 층 형성 성분 및 선택적으로 층 형성 성분이 용해되거나 분산된 캐리어 성분, 특히 용매 또는 분산제를 포함하고, 및/또는
    d. 분무 재료는 보호층 및/또는 보호층에 매립된 방화 또는 화재 억제 성분, 특히 CO2를 함유하는 저장조를 포함하고, 및/또는
    e. 분무 재료는 그 자체로 전기적으로 비도전성이며 및/또는 전기 절연성 보호층을 형성하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 자동차 배터리 모듈, 자동차 또는 방법.
  21. 제 14 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a. 보호층의 두께는 5 ㎛ 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 자동차 배터리 모듈, 자동차 또는 방법.
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