KR20200037237A - 전기자동차용 배터리 박스 플로어 및 대응하는 차체 - Google Patents

전기자동차용 배터리 박스 플로어 및 대응하는 차체 Download PDF

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KR20200037237A
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오토테크 엔지니어링 에스.엘.
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Abstract

차체(100)의 하부에 마련되는 전기자동차용 배터리 박스 플로어(1). 배터리 박스 플로어(1)는 복수의 배터리 셀들(102)을 지지하기 위한 배터리 팩 지지 패널(2)과, 냉각 유체를 수용하기 위한 복수의 하부 냉각 채널들(4)과, 배터리 팩 지지 패널(2)과 인접하게 그 아래에 마련되어 배터리 셀들(102)을 냉각시킬 수 있도록 하는 복수의 하부 냉각 채널들(4)과, 이 하부 냉각 채널들(4)의 아래에 마련되는 언더바디 보호부(6)를 포함한다. 본 배터리 박스 플로어(1)는 상기 복수의 하부 냉각 채널들과 상기 언더바디 보호부(6) 사이에 변형 내부 공동(8)을 더 포함한다. 추가적으로, 본 배터리 박스 플로어(1)는 금속재로서 일체형으로 형성된다. 또한 위 배터리 박스 플로어(1)를 포함하는 차체가 개시된다.

Description

전기자동차용 배터리 박스 플로어 및 대응하는 차체
본 발명은 차체의 하부에 마련되는 전기자동차용 배터리 박스 플로어(battery box floor)에 관한 것으로서, 상기 배터리 박스 플로어는, 복수의 배터리 셀들을 지지하기 위한 배터리 팩 지지 패널(battery pack supporting panel)과, 냉각 유체를 수용하기 위한 복수의 하부 냉각 채널들(lower cooling channels)과, 상기 배터리 팩 지지 패널과 인접하게 그 아래에 마련되어 상기 배터리 셀들을 냉각시킬 수 있도록 하는 상기 복수의 하부 냉각 채널들 및 상기 복수의 하부 냉각 채널들의 아래에 마련되는 언더바디 보호부를 포함한다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 배터리 박스 플로어가 포함된 차체에 관한 것이다.
충돌사고에 대한 여러 규제들은 자동차 충돌이 일어날 경우 반드시 주요 본체 부분들(critical body regions)에 대한 충분한 보호가 확보되도록 하고 있다. 새로운 전기자동차들의 경우, 이른바 배터리 박스 플로어가 차체의 매우 중요한 부분이 되었다. 전기자동차의 배터리 박스 플로어는 일반적으로 자동차 프레임의 하단부에 마련되며, 자동차의 앞차축부터 뒤차축까지 연장된다. 이러한 배터리 박스 플로어는 전기자동차의 배터리 셀들을 지지하고 수용하기 위하여 고안되었다. 이러한 플로어는 몇 가지 중요한 기능들을 수행해야만 한다.
이러한 중요 기능들 중 한 가지는 배터리의 냉각이다. 배터리 셀들은 좋은 냉각 시스템을 필요로 한다고 알려져 있는데, 이는 배터리 셀들의 성능을 향상시키기 위해서뿐만 아니라 배터리 셀들의 과열로 인해 폭발의 위험이 생기는 것을 방지하기 위해서이다. 배터리 냉각을 위해 다양한 해결책들이 제시되어왔다. 이러한 해결책들에는 배터리함(battery compartment) 외부 및 내부에서의 공기 냉각(air-cooled)부터 냉각 유체로 채워진 알루미늄 냉각 채널(aluminium cooling channels) 등이 포함된다. 그러나, 위험을 최소화하기 위한 최선의 선택은 배터리 박스의 외부에서 냉각하는 것이다. 한편, 이 해결책의 단점은 열성능과 충돌 성능이 위험해질 수 있다는 점이다. 나아가, 배터리 냉각이 배터리 박스 외부에서 이루어질 때의 다른 유의미한 문제점은 냉각이 주변환경의 온도에 크게 좌우될 수 있다는 점이다. 특히 더운 지역들에서는 냉각 유체의 불완전한 냉각 성능으로 인해 더욱 심각한 문제가 될 수 있다.
배터리 박스 플로어의 또다른 핵심은 자동차의 하단부에 가해지는 모든 요인에 의한 충격으로부터 차체의 언더바디를 보호하는 것이다. 돌, 돌출 물체 등은 배터리 박스 구조를 손상시킬 수 있다. 이로 인해 배터리 셀들 역시 손상될 수 있으며, 그 결과 전해액 누출, 배터리 화재 및 폭발 등 관련 위험이 발생할 수 있다.
위와 같은 문제점들을 방지하기 위해, 몇 가지 기술적인 해결책들이 제시되어 왔는데, 보강재나 커버 및 이와 유사한 것들을 이용해 구조를 보호하여 언더바디에 손상을 막는 것이 그 일례이다.
문헌 EP 2468609 A2는 냉각 알루미늄 채널들을 배터리 박스의 내부 혹은 외부에 마련하여 배터리 박스 안의 배터리 셀들을 냉각시키는 방법을 개시하고 있다. 이 채널들은 배터리 박스 플로어와 접촉해 있고 배터리들로부터 발생된 열을 방산한다. 그러나, 이 냉각 시스템은 조립 및 생산 과정이 매우 복잡하고 많은 비용이 든다. 한편, 내부에서의 냉각 방법들은 누출이 있을 경우 위험할 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 구조에 있어서의 외부 냉각은 언더바디 손상으로부터의 보호가 복잡한 방식으로 이루어질 수밖에 없다.
문헌 US 2015/0360550 A1은 자동차의 차체를 강화하기 위한 언더바디 유닛을 개시하고 있다. 이 언더바디는 차체의 하중을 줄이기 위해 차체와 연결될 수 있는 플로어바디(floor body)를 구비하고 있다. 이 플로어바디는 자동차를 전적으로 전기로 구동하는 구동 배터리(traction battery)의 배터리 셀 유닛들을 지지하기 위한 상부면과, 이 상부면을 냉각하기 위한 적어도 하나의 냉각 채널을 구비하고 있다. 이 플로어바디와 언더바디 유닛은 배터리 하우징의 지지판을 형성하고 구동배터리의 배터리 셀들을 지지할 수 있으며, 섬유 복합 재료로 구성된 장갑판(armour plating)을 형성하여 플로어바디에 인접하게 마련된 배터리 셀을 보호한다. 그러나, 이러한 언더바디 유닛은 생산하기가 어렵다. 나아가, 이러한 배터리 셀들의 냉각은 주변환경 조건에 크게 좌우된다. 마지막으로, 좋은 충돌 성능을 제공하기 위해서는 이러한 장갑판을 고품질의 재료로 제작해야만 한다.
문헌 US 2007/00877266 A1은 복수의 맞물린(interlocking) 냉각 유체 덕트들(ducts)을 포함하는 모듈식 배터리 시스템으로서, 배터리 플로어의 위에 마련되어 대응하는 배터리들을 둘러싸고 냉각하도록 하는 모듈식 배터리 시스템을 개시하고 있다. 이러한 시스템은 조립하기 어렵고 누출의 위험이 매우 크다. 나아가, 배터리 박스 플로어는 패널(panel)에 불과하여 아래에서 충격이 오는 경우 믿을 만하지 않다. 이는 배터리 박스 내에 마련된 배터리들의 손상으로 이어질 수 있다.
본 발명에서 “셀”, “배터리” 또는 “배터리 셀”이라는 용어는 상호대체적으로 사용될 수 있으며, 에너지 축적 장치로 사용되는 모든 종류의 배터리로서, 특히 전기자동차에 대응하는 모터에 동력을 공급하기 위한 배터리를 총칭한다. 이러한 종류의 배터리들은, 예를 들면, 리튬 이온 배터리, 니켈 카드뮴, 니켈 수소, 또는 위와 같은 목적에 해당되는 모든 유형의 배터리이다.
또한 본 발명에서 “전기자동차”라는 용어는 완전히 전기로 구동되는 자동차뿐만 아니라 부분적으로라도 전기 모터에 의해 구동되고 상기 전기 모터에 동력을 공급하기 위한 배터리 셀들을 포함하는 모든 자동차를 지칭한다. 이러한 유형의 자동차로 알려진 것에는, 특히, 플러그인 전기자동차(plug-in electric vehicles), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicles), 연료 전지 자동차(fuel cell vehicles) 등이 있으며, 이들 중 일부는 전기 및 전통적인 연료에 의해 구동되는 파워트레인(powertrain) 등을 모두 결합한다.
마지막으로, 본 발명에서, “충돌(crash)”이라는 용어는 자동차가 다른 자동차, 벽 등과 같이 큰 물체를 향해 달리다가 부딪혀 자동차의 구조가 크게 영향을 받는 충돌 뿐만 아니라, 돌, 돌출 요소들 혹은 도로의 이상 상태 등 작은 물체 때문에 자동차에 가해지는 충격으로서 차체의 하부에 손상을 가하고, 그에 따라 그의 배터리 박스 플로어에도 영향을 미치는 것을 모두 지칭한다.
본 발명은 전기자동차를 위한 배터리 박스 플로어로서, 차체를 강화하기 위해 상기 차체에 연결될 수 있고, 향상된 충돌 성능을 제공하며, 특히 배터리 박스 플로어와 그 안에 마련된 배터리들의 보호가 개선되고, 배터리들의 냉각이 주변환경의 조건과 관계 없이 보다 잘 통제될 수 있는 배터리 박스 플로어를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 또한 제조하기 쉬운 배터리 박스 플로어를 구현하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
이러한 목적들은 초반에 명시된 유형의 배터리 박스 플로어, 즉 상기 복수의 하부 냉각 채널들과 상기 언더바디 보호부 사이에 변형 내부 공동(deformation inner cavity)이 제공되고, 상기 배터리 박스 플로어는 금속재(metallic material)로서 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 박스 플로어에 의해 달성될 수 있다.
우선, 변형 내부 공동은 향상된 충돌 성능을 제공하여 배터리 박스 플로어와 배터리들이 쉽게 손상되는 것을 방지한다. 특히, 자동차에 충격이 있을 경우, 이 내부 공동은 충격한 물체가 배터리 박스 칸으로 침입하는 것을 최소화해준다. 이는 언더바디의 보호를 크게 개선시켜, 배터리들에 가해질 수 있는 손상의 위험을 최소화시킨다. 또한 이 내부 공동의 변형은 충격으로부터 에너지를 흡수하여 많은 경우 냉각 채널들이 심지어 변형되거나 천공되는 것을 방지한다.
한편, 이러한 내부 공동은 또한 개선된 냉각 성능을 제공한다. 구동 중인 전기자동차의 온도 범위는, 예컨대 60℃와 -30℃사이에서 쉽게 변화하는데, 특히 가장 고온인 경우에 냉각 문제들이 발생할 수 있다. 따라서, 내부 공동은 냉각 채널에 수용된 냉각 유체의 추가적인 격리를 제공한다. 그에 따라, 상기 냉각 유체의 온도는 주변환경의 온도와 관계 없이 훨씬 안정적으로 유지된다.
본 발명은 나아가 종속항들의 목적이 되는 몇 가지의 바람직한 특징들을 포함하는데, 이들의 유용성은 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 강조될 것이다.
바람직한 일 실시예에서, 상기 금속재는 알루미늄 합금이고 상기 배터리 박스 플로어는 적어도 하나의 상기 알루미늄 합금이 압출된 부품으로 구성되며, 상기 압출된 부품은 상기 지지패널, 상기 하부 냉각 채널들, 상기 변형 내부 공동 및 상기 언더바디 보호부를 형성한다. 압출은 매우 빠른 생산 방법이다. 뿐만 아니라, 알루미늄은 열전도율이 뛰어나다. 이는, 배터리 지지 패널에 인접한 냉각 채널들의 벽을 통해, 좋은 배터리 셀 냉각을 제공한다. 실제로, 바람직한 일 실시예에서, 배터리들에 인접한 냉각 채널들의 벽의 일부분은, 지지 패널의 벽으로 이루어져있다.
특히 대형차량의 경우, 배터리 박스 플로어는 스폿 용접(spot welding), 아크 용접(arc welding), 리벳 나사 연결(riveting connecting screws) 등의 연결 수단으로 서로 연결된 복수의 압출된 부품들로 구성된다.
그러나, 조립 단계들의 필요성을 줄이기 위한 바람직한 일 실시예에서, 상기 배터리 박스 플로어는 상기 알루미늄 합금의 단일 부품(single part)으로 압출되어 있다. 이는 특히 소형차량에 적합하다.
본 발명의 배터리 박스 플로어의 바람직한 일 실시예에서, 상기 복수의 하부 냉각 채널들은 용이한 압출 공정을 위해 자동차의 종적 이동 방향을 따라 마련되거나 혹은 종적 이동 방향에 수직으로 마련된다. 또한 하부 냉각 채널들이 배터리 셀의 주된 방향, 즉 배터리 셀이 자동차에 장착되었을 때 배터리 셀의 베이스가 더 큰 방향으로 마련되는 것이 열의 제거를 개선하기 위해 특히 바람직하다.
충격의 작용력을 배터리 박스 플로어 전체에 균형 있게 분포시키는 문제를 해결하게 위하여, 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 변형 내부 공동은 하부 내면과 상부 내면을 갖고, 상기 배터리 박스 플로어는 복수의 내부 립들(inner ribs)로 구성되어 있으며, 상기 복수의 내부 립들은 상기 하부 내면부터 상기 상부 내면까지 연장된다.
본 배터리 박스 플로어의 다른 실시예에서, 상기 배터리 박스 플로어는 적어도 하나의 하부 냉각 채널에 인접한 차단 섹션들을 포함하고, 상기 복수의 내부 립(rib) 중 적어도 하나의 립은 상기 차단 섹션들에서 상기 하부 내면부터 상기 상부 내면까지 연장된다. 이러한 차단 섹션들 및 대응하는 립들은, 어떤 유형의 충돌에도, 즉 다른 자동차와의 충격 또는 돌에 의한 하부의 손상 모두의 경우에, 냉각 채널들을 한층 더 보호하도록 대비한다. 그 결과, 손상 및 그에 따른 냉각 유체 누출의 위험이 감소한다.
앞서 언급했듯이, 본 발명의 목적 중 하나는 배터리 박스 플로어의 향상된 충돌 성능을 제공하는 것이다. 이를 위하여, 바람직한 일 실시예에서, 상기 복수의 내부 립들 중 적어도 하나의 립은 아치 형태의 단면을 갖는다. 이 아치 형태의 립은 내부 공동의 변형에 앞서 향상된 강성을 제공한다.
본 발명에서, “아치 형태” 단면이라는 용어는 트라이앵귤러 아치(triangular arches), 라운드 아치(round arches), 세그멘탈 아치(senmental arches), 랜싯 아치(lancet arches), 타원형 아치(elliptical arches), 포물선형 아치(parabolic arches), 카테나리 아치(catenary arches) 또는 그와 유사하게 공간을 가로지르는 다양한 구조를 포함한다.
선택적으로 상기 적어도 하나의 아치 형태의 립은, 상기 적어도 하나의 아치 형태의 립의 오목한 면이 상기 내부 공동의 상기 상부 내면을 마주보고, 두 차단 섹션들 사이에 있는 적어도 하나의 하부 냉각 채널을 둘러싸도록(encapsulating) 마련된다. 다시 말하지만 이러한 방법은 최소한의 무게로 매우 높은 강성을 제공하고 하부 냉각 채널들에 수용된 냉각 유체에 매우 훌륭한 열차단을 제공한다고 증명되었다. 나아가, 하부 냉각 채널의 일체성(integrity)은 언더바디 보호부에 충격이 가해질 경우에 특별히 보존된다.
배터리들과 냉각 유체 사이의 열전달을 극대화하기 위한 일 실시예에서, 상기 복수의 하부 냉각 채널들의 하부 냉각 채널들은 서로 유동적으로 연결되어 하나의 냉각 회로를 형성하고, 이에 따라 냉각 유체는 상기 냉각 회로 내에서 순환될 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 배터리 박스 플로어를 포함한 차체에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 배터리 셀들의 냉각 성능을 보다 향상시키고자, 차체는 상기 냉각 유체를 수용하기 위해 내부에 빔(beam) 냉각 채널들이 통합된 빔들을 더 포함하고, 상기 빔들은 상기 빔들과 인접한 상기 배터리 셀들의 냉각을 위해 상기 배터리 박스 플로어에 인접하게 마련된다. 상기 빔들은 세로로(lengthwise) 뿐만 아니라 가로로(crosswise)도 마련될 수 있으며, 심지어 배터리 박스 플로어의 외곽 전체를 둘러쌀 수도 있다.
배터리로부터 제거된 열을 보다 효율적으로 배출하기 위해, 차체의 바람직한 일 실시예에서, 상기 복수의 하부 냉각 채널들의 하부 냉각 채널들과 상기 빔 냉각 채널들은 서로 유동적으로 연결되어 하나의 냉각 회로를 형성하고, 이에 따라 냉각 유체는 상기 냉각 회로 내에서 순환될 수 있다. 이에 따라 냉각 유체를 주변환경의 공기에 노출시킴으로써 냉각 유체를 식히는 것이 가능해진다. 또한 빔들의 빔 냉각 채널들이 하부 냉각 채널들에 수직으로 마련됨으로써, 하부 냉각 채널들이 서로 연결되고 냉각 회로가 단순화되는 것이 특히 바람직하다.
차체의 구조를 단순화하기 위한 일 실시예에서 상기 빔들은, 자동차의 종적 이동 방향으로, 상기 차체의 각 측면에 마련된 하부 종방향 사이드 빔들(lower longitudinal side beams)로서, 상기 각 사이드 빔들은, 상기 냉각 유체를 수용하기 위해 상기 사이드 빔 안에 통합된 상기 사이드 빔 냉각 채널들을 포함하고, 상기 사이드 빔 냉각 채널들은 상기 사이드 빔들에 인접한 상기 배터리 셀들을 측면에서 냉각시키기 위해 상기 지지 패널에 대응하여 마련되어 있다.
또한 선택적으로, 내부 빔들은 배터리 박스 플로어 상에 마련된 모든 배터리 하나하나를 냉각시키기 위해 배터리 팩 지지 패널을 따라 연장되어 있다. 상기 내부 빔들은 자동차의 종적 이동 방향과 세로로(lengthwise) 뿐만 아니라 가로로(crosswise)도 연장될 수 있다.
그 밖에, 본 발명은 또한 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 첨부된 도면들에 나타난 다른 특징들도 포함한다.
본 발명의 추가적인 장점 및 특징은 이하의 설명에 의해 자명해질 것이며, 이하에는, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 비한정적인 바람직한 실시예들이 개시되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 박스 플로어가 마련될 자동차의 개략적인 측면도이다.
도 2는, 도 1의 자동차의 개략적인 평면도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 전기자동차용 배터리 박스 플로어의 첫 번째 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 4는, 도 3에 따른 배터리 박스 플로어를 포함한 배터리 박스의 두 번째 실시예의 개략적인 부분 단면도로서, 차체의 하부 종방향 사이드 빔과 조립된 것이다.
도 5는, 본 발명에 따른 배터리 박스 플로어의 세 번째 실시예의 개략적인 부분 단면도로서, 차체의 하부 종방향 사이드 빔과 조립된 것이다.
도 6은, 본 발명에 따른 배터리 박스 플로어의 네 번째 실시예의 개략적인 부분 단면도로서, 차체의 하부 종방향 사이드 빔과 조립된 것이다.
도 7은, 본 발명에 따른 배터리 박스 플로어의 다섯 번째 실시예의 개략적인 부분 단면도로서, 차체의 하부 종방향 사이드 빔과 조립된 것이다.
도 8은, 본 발명에 따른 배터리 박스 플로어의 여섯 번째 실시예의 개략적인 부분 단면도로서, 차체의 하부 종방향 사이드 빔과 조립된 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 배터리 박스 플로어(1)가 적용될 수 있는 예시적인 전기자동차를 나타낸다. 보다 구체적으로, 본 도면들은 승용차를 나타낸다. 그러나, 본 발명의 배터리 박스 플로어는, 충돌 성능이 개선된 배터리 박스 플로어와 보다 나은 배터리 냉각이 필요한 다른 유형의 전기자동차들에도 적용될 수 있다.
특히, 도 1 및 도 2는 앞차축과 뒤차축(108, 110)을 포함한 전기자동차를 나타낸다.
전술한 바와 같이, 그리고 도 1 및 도 2에 자명하게 나타나 있듯이, 배터리 박스는 앞차축과 뒤차축(108, 110) 사이에 마련된 컨테이너로서, 전기자동차의 모터들에 동력을 제공하는 배터리 셀들(102)을 수용하고 담도록 구성된 것이다. 배터리 박스를 형성하는 주된 요소들은 커버(112), 종방향 사이드 빔들(104), 그리고 배터리 박스 플로어(1)이다. 선택적으로, 배터리 팩이 나란히 마련된 여러 개의 배터리 셀들(102)을 포함하는 경우, 내부 분할 빔들(dividing inner beams, 114) 또한 배터리 박스 안에 마련된다. 이러한 요소들은 스폿 용접(spot welding), 레이저 용접(laser welding), 마찰교반용접(friction stir welding), 리벳팅(riveting), 스레딩(threading) 등 가능한 모든 결합 기술에 의하여 결합된다.
차체의 충돌 반응에 관한 한, 배터리 박스에서 가장 연관성 있는 부분은 배터리 박스 플로어(1)이다. 도 1 및 도 2에서 점선에 의해 자명하게 나타나 있듯이, 전기자동차의 배터리 박스 플로어(1)는 측면이나 아래에서 충격이 발생할 경우 차체(100)를 보강하고 배터리들(102)을 보호하기 위해 차체(100)의 하부에 마련된다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 배터리 박스 플로어(1)의 첫 번째 및 두 번째 실시예들을 나타내며, 두 실시예들은 많은 특징들을 공유한다. 따라서, 이들은 함께 기술하기로 한다.
위 도면들에 자명하게 나타나 있듯이, 배터리 박스 플로어(1)는 세 가지 주된 요소, 즉 배터리 팩 지지 패널(2), 하부 냉각 채널들(4) 및 언더바디 보호부(6)를 포함한다.
배터리 팩 지지 패널(2)은 배터리 박스 플로어(1)의 상부 패널이다. 배터리 팩을 형성하는 복수의 배터리 셀들(102)은 이 패널 위에 놓여 해당 패널에 의해 지지된다. 예시의 목적상, 도면들에서는, 배터리 셀들(102)이 배터리 팩 지지 패널(2)에 의해 지지되는 것으로 나타나지는 않는다. 그러나, 이는 단지 개략적인 표현에 불과하다고 이해해야 한다. 통상의 기술자는 배터리 셀들(102)이 배터리 팩 지지 패널(2)의 상면에 의해 물리적으로 지지되며 배터리 박스 내에 수용된다고 이해할 것이다.
위 도면들에 또한 자명하게 나타나 있듯이, 배터리 셀들(102)을 냉각하기 위한 냉각 유체를 수용하는 하부 냉각 채널들(4)은 배터리 팩 지지 패널(2)과 인접하게 그 아래에 마련된다. 본 바람직한 실시예에서, 냉각 채널들(4)의 상부 벽면은 배터리 팩 지지 패널(2)의 일부분이기도 하다. 이는 대응하는 배터리 셀(102)과 하부 냉각 채널들(4)에 수용된 냉각 유체 사이의 열전달을 향상시킨다.
이러한 실시예들의 냉각 채널들(4)은 자동차가 앞으로 움직이는 방향을 따라 마련된다. 본 발명에서, 이 방향은 종적 이동 방향 L(longitudinal moving direction L)이라고 지칭한다. 그러나, 다른 실시예에서, 이 냉각 채널들(4)은 종적 이동 방향 L과 수직으로 마련될 수도 있다. 그러나, 하부 냉각 채널들(4)은, 배터리가 배터리 팩 지지 패널(2)에 장착되었을 때 배터리 셀의 베이스가 더 큰 쪽을 따라 마련되는 것이 특히 바람직하다.
도 3 및 도 4에는 또한 언더바디 보호부(6)가 배터리 팩 지지 패널(2)뿐만 아니라 하부 냉각 채널들(4)의 아래에 마련되어 있다는 점이 자명하게 나타나있다.
전술했듯이, 본 발명의 목적은 충돌 성능의 개선, 특히 배터리에 손상을 주는 모든 유형의 충격을 받을 때에 있어 본 발명에 따른 배터리 박스 플로어(1)의 성능을 개선하고, 배터리 셀들(102)의 냉각 조절이 주변환경의 조건에 보다 덜 영향 받도록 하는데 있다. 이를 위하여, 복수의 하부 냉각 채널들(4)과 언더바디 보호부(6) 사이에 변형 내부 공동(8)이 제공된다. 도면들에 자명하게 나타나 있듯이, 언더바디 보호부(6)는 두 외벽들(18)에 의해 배터리 팩 지지 패널(2)과 연결된다.
특히 아래에서 충격을 주는 물체로부터 충돌이 발생할 경우, 이 변형 내부 공동(8)은 충격 에너지 흡수가 가능하도록 한다. 이에 따라, 냉각 유체 혹은 배터리액의 우연한 누출뿐만 아니라 폭발의 위험으로부터 배터리들을 보호할 수 있다.
도 3의 실시예에서, 외벽들(18)은 배터리 팩 지지 패널(2) 및 언더바디 보호부(6) 모두와 수직이다. 반면, 도 4의 실시예에서, 이 외벽들(18)은 배터리 팩 지지 패널(2) 및 언더바디 보호부(6) 모두와 상응하는 각도를 형성한다. 이 두 번째 실시예는 충격이 이 외벽들(18)을 직접적으로 강타할 경우의 측면 충돌 반응을 보다 개선시키는데, 이 챔퍼(chamfer) 같은 외벽들(18) 덕분에 수직 충격력(normal impact force)의 강도가 감소하기 때문이다.
또 다른 유의미한 점은, 제조 과정을 단순화하기 위하여, 배터리 박스 플로어가 금속재로서 일체형으로 형성된다는 점이다. 위 금속재는 알루미늄 합금이다. 나아가, 배터리 박스 플로어는 적어도 하나의 상기 알루미늄 합금의 압출된 부품으로 구성된다.
명백하게, 이러한 압출된 부품은 상기 알루미늄 합금의 단일 부품으로 지지 패널(2), 하부 냉각 채널들(4), 변형 내부 공동(8) 및 언더바디 보호부(6)를 형성한다. 알루미늄은 압출하기 쉽지만, 또한 열전도율이 현저하게 좋기 때문에, 공동 박스(cavity box)에 수용된 배터리 셀들(102)로부터 냉각 유체로의 열 추출을 개선시킨다.
본 발명에서 배터리 박스 플로어(1) 전체가 단일한 부품으로 구성된 것은 반드시 필수적인 것은 아닌데, 왜냐하면 대안적으로 배터리 박스 플로어(1)는 스폿 용접(spot welding), 레이저 용접(laser welding), 마찰교반용접(friction stir welding), 리벳팅(riveting), 스레딩(threading) 등의 연결 방법에 의해 서로 연결된 복수의 압출된 부품들로 구성될 수 있기 때문이다. 그러나, 이러한 각 압출된 부품들은, 지지 패널(2), 하부 냉각 채널들(4), 변형 내부 공동(8) 및 언더바디 보호부(6)를 형성한다. 나중에 이들은 상호 결합된다.
도 3 및 도 4에 나타난 배터리 박스 플로어(1)의 변형 내부 공동(8)은, 하부 내면(10)과 상부 내면(12)을 갖는다. 또한 배터리 박스 플로어(1)의 강성을 개선하고, 그에 따라 이 요소의 충돌 반응을 개선하기 위하여, 배터리 박스 플로어(1)는 변형 내부 공동(8)의 하부 내면(10)부터 상부 내면(12)까지 연장된 복수의 내부 립들(14)을 더 포함한다.
이러한 두 개의 첫 실시예들에서, 배터리 박스 플로어(1)는 적어도 하나의 하부 냉각 채널(4)에 인접한 차단 섹션들(20)을 포함한다.
나아가, 도면에 자명하게 나타나 있듯이, 차단 섹션들(20)은 내부에 하부 냉각 채널(4)이 마련되지 않은 배터리 박스 플로어의 섹션들이다. 따라서, 변형 내부 공동(8)의 상부 내면(12)은 대응하는 하부 냉각 채널들(4)의 하부 벽면 또는 배터리 박스 지지 패널(2)의 하면에 의해 형성된다. 이러한 차단 섹션들(20) 덕분에, 립들(14)은 차단 섹션들(20)의 하부 내면(10)으로부터 상부 내면(12)까지 연장되어, 충돌 시에 하부 냉각 채널들(4)을 더 보호할 수 있다.
나아가, 배터리 박스(1)의 강성을 개선하기 위하여, 이 두 가지 실시예들에서 내부 립들(14)은 아치 형태의 단면을 갖는다. 이러한 아치 형태의 립들은 대응하는 아치 형태 립들(14)의 오목한 면이 내부 공동(8)의 상부 내면(12)을 마주보게 함으로써 하부 냉각 채널들(4)이 두 차단 섹션들(20) 사이에 둘러싸이도록 하기 위해 마련된다. 이 경우, 아치 형태의 립들은 라운드 아치(round arch)를 형성한다. 그러나 다른 유형의 아치들, 즉 트라이앵귤러 아치(triangular arches), 세그멘탈 아치(senmental arches), 랜싯 아치(lancet arches), 타원형 아치(elliptical arches), 포물선형 아치(parabolic arches), 카테나리 아치(catenary arches) 등도 가능하다.
배터리 박스(1)의 하부 냉각 채널들(4)이 서로 유동적으로 연결되어 하나의 냉각 회로를 형성하는 것이 특히 바람직하다. 냉각 회로는 상기 냉각 회로 내에서 냉각 유체가 순환되도록 한다. 이를 위하여, 자동차에는 대응하는 펌프, 팬(fan), 작동 압력(working pressure)의 제어 시스템 및 냉각 회로가 적절한 기능을 하는데 필요하다고 통상의 기술자에게 알려진 모든 요소들이 갖추어져 있다.
도 5 내지 도 7에 나타난 실시예들은 여태까지 기술된 두 실시예들과 많은 특징들을 공유한다. 따라서, 지금부터는 이전에 기술된 실시예들과 다른 특징들만을 기술하도록 하며, 상기에 이미 기술된 나머지 특징들의 설명은 이전 문단들을 참조하도록 한다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 배터리 박스 플로어(1)가 배터리 박스에 장착된 세 번째 및 네 번째 실시예들을 나타낸다. 이 도면들에 자명하게 나타나 있듯이, 일부 립들(14)은 차단 섹션들(20)에서 끝나지 않고, 하부 냉각 채널들(4)의 측벽에서 끝난다. 그러나, 다른 립들은 변형 내부 공동(8)의 하부 내면(10)부터 차단 섹션들(20)까지 연장되어 있다.
마지막으로, 도 7의 실시예는 내부 립들이 제공되지 않는다는 점에서 이전의 실시예들과 차이점이 있다.
이 경우에, 차체는 냉각 유체를 수용하기 위해 그 내부에 빔 냉각 채널들(106)이 수용된 빔들(104)을 포함한다. 보다 구체적으로 차체는, 자동차의 종적 이동 방향 L에 있어서, 차체(100)의 각 측면에 마련된 두 개의 하부 종방향 사이드 빔들(104)을 포함한다. 한층 더 개선된 냉각 성능을 위하여, 각 사이드 빔들(104)은 그 내부에 사이드 빔 냉각 채널들(106)을 포함한다. 이러한 사이드 빔 냉각 채널들(106)은 지지 패널(2)에 대응하고 배터리 셀들(102)을 마주보도록 마련된다. 이에 따라, 사이드 빔들(104)에 인접한 배터리 셀들(102)의 측면 냉각 효과가 달성된다.
우수한 액밀성(liquid tightness)을 구현하기 위하여, 사이드 빔 냉각 채널들(106)과 하부 냉각 채널들(4)의 연결, 배터리 박스 플로어(1)와 사이드 빔들(104)의 연결이 밀봉 부재(sealing element, 116)에 의해 제공된다. 하부 냉각 채널들과 사이드 빔 냉각 채널들(106)이 유동적으로 연결되어 하나의 냉각 회로를 형성하는 것이 특히 바람직하다. 빔 냉각 채널들(106)이 하부 냉각 채널들(4)에 수직으로 마련되는 것이 특히 바람직하다.
마지막으로, 도 8은 본 발명의 배터리 박스 플로어(1)의 여섯 번째 실시예를 나타낸다. 이 경우, 도 7의 실시예와는 달리, 냉각 유체의 순환을 훨씬 용이하게 만들기 위해, 하부 냉각 채널(4)은 사이드 빔 냉각 채널(106)의 중심에 맞춰 구비된다.
통상의 기술자라면 자명하게 알 수 있듯이, 여기에 기술된 다양한 실시예의 특징들은 다른 여러 방법으로도 조합될 수 있다.

Claims (14)

  1. 차체(100)의 하부에 마련된 전기자동차용 배터리 박스 플로어(1)로서,
    상기 배터리 박스 플로어(1)는,
    [a] 복수의 배터리 셀들(102)을 지지하기 위한 배터리 팩 지지 패널(2);
    [b] 냉각 유체를 수용하기 위한 복수의 하부 냉각 채널들(4)로서, 상기 복수의 하부 냉각 채널들(4)은 상기 배터리 셀들(102)을 냉각할 수 있도록 상기 배터리 팩 지지 패널(2)과 인접하게 그 아래에 마련되는, 상기 복수의 하부 냉각 채널(4); 및
    [c] 상기 복수의 하부 냉각 채널들(4)의 아래에 마련되는 언더바디 보호부(6);를 포함하고,
    [d] 상기 복수의 하부 냉각 채널들과 상기 언더바디 보호부(6) 사이에 변형 내부 공동(8)이 제공되고,
    [e] 상기 배터리 박스 플로어(1)는 금속재로서 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 박스 플로어(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속재는 알루미늄 합금이고, 상기 배터리 박스 플로어(1)는 적어도 하나의 상기 알루미늄 합금의 압출된 부품으로 구성되며, 상기 압출된 부품은,
    [a] 상기 지지 패널(2);
    [b] 상기 하부 냉각 채널들(4);
    [c] 상기 변형 내부 공동(8); 및
    [d] 상기 언더바디 보호부(6);를 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 박스 플로어(1).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 박스 플로어(1)는 상기 알루미늄 합금의 단일 부품으로 압출된 것을 특징으로 하는 배터리 박스 플로어(1).
  4. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 박스 플로어(1)는 복수의 압출된 부품들이 연결 수단에 의해 서로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 박스 플로어(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 하부 냉각 채널들(4)은 자동차의 종적 이동 방향(L)을 따라 혹은 상기 종적 이동 방향과 수직으로 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 박스 플로어(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형 내부 공동(8)은 하부 내면(10)과 상부 내면(12)을 갖고, 상기 배터리 박스 플로어(1)는 복수의 내부 립들(14)을 더 포함하며, 상기 복수의 내부 립들(14)은 상기 하부 내면(10)부터 상기 상부 내면(12)까지 연장된 것을 특징으로 하는 배터리 박스 플로어(1).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 박스 플로어(1)는 적어도 하나의 하부 냉각 채널(4)에 인접한 차단 섹션들(20)을 포함하고, 상기 복수의 내부 립들(14) 중 적어도 하나의 립은 상기 차단 섹션들(20)에서 상기 하부 내면(10)부터 상기 상부 내면(12)까지 연장된 것을 특징으로 하는 배터리 박스 플로어(1).
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 복수의 내부 립들(14) 중 적어도 하나의 립은 아치 형태의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 박스 플로어(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 아치 형태의 립(14)은, 상기 적어도 하나의 아치 형태의 립(14)의 오목한 면이 상기 내부 공동(8)의 상기 상부 내면(12)을 마주보고, 두 차단 섹션들(2) 사이에 있는 적어도 하나의 하부 냉각 채널(4)을 둘러싸도록 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 박스 플로어(1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 하부 냉각 채널들(4)의 하부 냉각 채널들(4)은 서로 유동적으로 연결되어 하나의 냉각 회로를 형성하고, 상기 냉각 회로 내에서 냉각 유체가 순환될 수 있는 것을 특징으로 하는 배터리 박스 플로어(1).
  11. 차체(100)로서,
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 박스 플로어(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차체(100).
  12. 제11항에 있어서,
    상기 차체(100)는 상기 냉각 유체를 수용하기 위하여 내부에 빔 냉각 채널들(106)이 통합된 빔들(104)을 더 포함하고, 상기 빔들(104)은 상기 빔들(104)과 인접한 배터리 셀들(102)을 냉각시키기 위하여 상기 배터리 박스 플로어(1)에 인접하게 마련되는 것을 특징으로 하는 차체(100).
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 하부 냉각 채널들(4)의 하부 냉각 채널들(4)과 상기 빔 냉각 채널들(106)은 서로 유동적으로 연결되어 하나의 냉각 회로를 형성함으로써 냉각 유체가 상기 냉각 회로 내에서 순환될 수 있는 것을 특징으로 하는 차체(100).
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 빔들(104)은, 자동차의 종적 이동 방향(L)으로, 상기 차체의 각 측면에 마련된 하부 종방향 사이드 빔들(lower longitudinal side beams)이고, 상기 각 사이드 빔들(104)은 상기 냉각 유체를 수용하기 위해 상기 사이드 빔들 안에 통합된 상기 사이드 빔 냉각 채널들(106)을 포함하고, 상기 사이드 빔 냉각 채널들(106)은 상기 사이드 빔들(104)에 인접한 상기 배터리 셀들(102)을 측면에서 냉각시키기 위해 상기 지지 패널(2)에 대응하여 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 차체(100).
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