KR20200095536A - 프리즘 파우치 하이브리드 배터리 모듈 - Google Patents

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크리스토퍼 밀론
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

배터리 모듈은 프리즘 하우징 및 금속 포일 라미네이트 파우치 하우징 모두의 특징들을 포함하며, 전기 화학 셀들을 수용 및 지지하도록 구성된다. 배터리 모듈 하우징은 강성 튜브형 프레임과, 상기 프레임에 결합되고 상기 프레임의 개방 단부들을 폐쇄하는 가요성 커버 요소들을 포함한다. 상기 프레임은 상기 셀들 쪽을 향하는 내부 표면, 상기 내부 표면과 반대쪽의 외부 표면, 상기 프레임의 하나의 개방 단부에서 상기 내부 표면을 상기 외부 표면에 결합시키는 제 1 에지, 및 상기 프레임의 반대쪽 개방 단부에서 상기 내부 표면을 상기 외부 표면에 결합시키는 제 2 에지를 갖는다. 제 1 커버 요소는 프레임의 하나의 개방 단부 위에 있으며 상기 하나의 개방 단부를 폐쇄하고, 제 2 커버 요소는 프레임의 다른 개방 단부 위에 있으며 상기 다른 개방 반부를 폐쇄한다.

Description

프리즘 파우치 하이브리드 배터리 모듈
본 개시는 일반적으로 하이브리드 하우징 내에 동봉된 전기 화학 셀들을 포함하는 배터리 모듈에 관한 것으로, 하우징은 프리즘 하우징 및 금속 포일 라미네이트 파우치 하우징 모두의 특징들을 포함한다.
배터리 팩들은 휴대용 전자 기기들로부터 재생 가능한 전력 시스템들 및 친환경 차량들에 이르기까지 다양한 장비들에 전원을 제공한다. 예를 들어, 하이브리드 전기 자량들(HEV)은 연료 효율을 높이기 위해 연소 엔진과 함께 배터리 팩과 전기 모터를 사용한다. 배터리 팩은 복수의 배터리 모듈들로 형성되며, 각 배터리 모듈은 여러 전기 화학 셀들을 포함한다. 배터리 모듈들 내에서, 상기 셀들은 2 차원 또는 3 차원 배열들로 배열되고 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결된다. 마찬가지로, 배터리 팩 내의 배터리 모듈들은 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결된다.
본 발명은 프리즘 하우징 및 금속 포일 라미네이트 파우치 하우징 모두의 특징들을 포함하는 개선된 프리즘 파우치 하이브리드 배터리 모듈을 제공한다.
일부 양상에서, 배터리 모듈은 배터리 모듈 하우징 및 셀 하우징 내에 배치된 전기 화학 셀들을 포함한다. 전기 화학 셀들은 셀 스택으로 배열될 수 있고, 각각의 셀은 양극, 음극 및 분리기를 포함하고, 여기서 분리기는 양극과 음극 사이에 끼워져 있으며 양극과 음극 사이의 물리적 접촉을 방지한다. 배터리 모듈 하우징은 셀 스택의 외주(circumference)를 둘러싸는 강성 프레임(rigid frame)을 포함한다. 프레임은 셀 스택 쪽을 향하는(face) 내부 표면, 내부 표면과 반대쪽의(opposed to) 외부 표면, 내부 표면을 셀 스택의 한 단부에서 외부 표면에 결합시키는 제 1 에지, 및 내부 표면을 셀 스택의 다른 단부에서 외부 표면에 결합시키는 제 2 에지를 갖는다. 배터리 모듈 하우징은 제 1 커버 요소 및 제 2 커버 요소를 포함한다. 제 1 커버 요소는 금속 포일 라미네이트 재료로 형성된다. 또한, 제 1 커버 요소는 셀 스택의 한 단부 위에 놓이고, 제 1 커버 요소의 주변 에지는 제 1 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 프레임에 결합된다. 제 2 커버 요소는 금속 포일 라미네이트 재료로 형성된다. 또한, 제 2 커버 요소는 셀 스택의 다른 단부 위에 놓이고, 제 2 커버 요소의 주변 에지는 제 2 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 프레임에 결합된다. 제 1 커버 요소, 제 2 커버 요소 및 프레임은 서로 작용하여 셀 스택을 포함하는 모듈 하우징을 형성한다.
일부 실시예들에서, 제 1 커버 요소는 제 1 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 프레임에 밀봉되고, 제 2 커버 요소는 제 2 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 프레임에 밀봉된다. 결과적으로, 제 1 커버 요소, 제 2 커버 요소 및 프레임은 서로 작용하여 셀 스택을 포함하는 밀봉된 모듈 하우징을 형성한다.
일부 실시예들에서, 모듈 하우징의 내부 공간은 대기압보다 낮은 압력에 있다.
일부 실시예들에서, 프레임은 적어도 하나의 포트를 포함하며, 상기 적어도 하나의 포트는 포트가 개방 구성 상태일 때 프레임을 통한 유체 흐름을 허용하도록 구성되고, 포트가 폐쇄 구성 상태일 때 프레임을 통한 유체 흐름을 방지하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 프레임은 셀 스택의 적어도 하나의 셀의 동작 특성을 검출하도록 구성되는 적어도 하나의 센서를 포함한다.
일부 실시예들에서, 프레임은 전기 전도성 단자를 포함한다. 단자는 프레임의 내부 표면으로부터 안쪽으로 돌출하고 적어도 하나의 셀의 양극 및 음극 중 하나와 전기적으로 접촉하는 제 1 단부를 포함하고, 프레임의 외부 표면으로부터 바깥쪽으로 돌출하는 제 2 단부를 포함한다.
일부 실시예들에서, 제 1 커버 요소는 제 1 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 제 1 에지에 결합되고, 제 2 커버 요소는 제 2 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 제 2 에지에 결합된다.
일부 실시예들에서, 프레임은 프레임이 지지 구조체에 고정될 수 있도록 구성된 일체형 장착 피처(integral mounting features)를 포함한다.
일부 실시예들에서, 프레임은 적어도 하나의 셀에 전기적으로 접속된 단자의 통과를 허용하도록 구성된 단자 개구(terminal opening), 및 단자와 단자 개구 사이의 유체 흐름을 방지하도록 구성된 단자 개구 내에 배치된 밀봉부(seal)를 포함한다.
일부 실시예들에서, 프레임은 제 1 냉각 채널 개구와 제 2 냉각 채널 개구 사이에서 연장되는 냉각 채널(cooling channel)을 포함하고, 상기 냉각 채널은 프레임 내의 유체 흐름 경로를 형성한다.
일부 양상들에서, 배터리 모듈은 전기 화학 셀들의 어레이를 수용하고 지지하도록 구성된 배터리 모듈 하우징을 포함한다. 배터리 모듈 하우징은 프레임과, 제 1 및 제 2 커버 요소들을 포함한다. 프레임은 강성(rigid)이며 셀 어레이의 외주를 둘러싸고 있다. 프레임은 셀 어레이를 향하는 내부 표면, 내부 표면과 반대되는 외부 표면, 내부 표면을 셀 어레이의 한 단부에서 외부 표면에 결합시키는 제 1 에지, 및 내부 표면을 셀 어레이의 다른 단부에서 외부 표면에 결합시키는 제 2 에지를 갖는다. 제 1 커버 요소는 금속 포일 라미네이트 재료로 형성된다. 제 1 커버 요소는 셀 어레이의 한 단부 위에 놓이고, 제 1 커버 요소의 주변 에지는 제 1 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 프레임에 결합된다. 또한, 제 2 커버 요소는 금속 포일 라미네이트 재료로 형성된다. 제 2 커버 요소는 셀 어레이의 다른 단부 위에 놓이고, 제 2 커버 요소의 주변 에지는 제 2 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 프레임에 결합된다. 제 1 커버 요소, 제 2 커버 요소 및 프레임은 서로 작용하여 전기 화학 셀들을 포함하는 모듈 하우징을 형성한다.
일부 양상들에서, 배터리 모듈은 프리즘 하우징(prismatic housings) 및 금속 포일 라미네이트 파우치 하우징 모두의 특징들을 포함하며, 전기 화학 셀들을 수용 및 지지하도록 구성된다. 배터리 모듈 하우징은 강성 튜브형 프레임과, 프레임에 결합되고 프레임의 개방 단부들을 폐쇄하는 가요성 커버 요소들을 포함한다. 프레임은 셀들 쪽을 향하는 내부 표면, 내부 표면과 반대쪽의 외부 표면, 프레임의 하나의 개방 단부에서 내부 표면을 외부 표면에 결합시키는 제 1 에지, 및 프레임의 반대쪽 개방 단부에서 내부 표면을 외부 표면에 결합시키는 제 2 에지를 갖는다. 제 1 커버 요소는 프레임의 하나의 개방 단부 위에 있으며 상기 하나의 개방 단부를 폐쇄하고, 제 2 커버 요소는 프레임의 다른 개방 단부 위에 있으며 상기 다른 개방 반부를 폐쇄한다.
금속 포일 라미네이트 파우치 하우징에 공통적인 배터리 모듈 하우징의 특징은 제 1 및 제 2 커버 요소들을 사용하는 것이고, 이들은 프레임의 대향 단부들에 대응하는 위치들에 가요성 하우징 부분을 제공한다. 가요성 금속 포일 라미네이트 재료로 제조된 제 1 및 제 2 커버 요소들은, 배터리 모듈이 셀 작동 동안 일어나는 셀 치수의 변화들("셀 성장(cell growth)")을 수용할 수 있게 한다. 결과적으로, 셀들이 예를 들어 프리즘 하우징과 같이 완전히 강성인 하우징에 저장될 때 때때로 일어나게 되는 셀 손상을 피할 수 있다.
프리즘 하우징에 공통적인 배터리 모듈 하우징의 특징은 배터리 모듈 하우징 내에 배치된 셀들을 둘러싸는 강성 프레임을 사용하는 것이다. 배터리 모듈 하우징 내에 배치된 셀들을 지지하고 보호하는 프레임은 적용 분야의 상세한 특성에 의해 요구되는 바에 따라 어떠한 높이로도 제조될 수 있으며, 따라서 금속 포일 라미네이트 재료의 드로잉 특성(drawing properties)으로 인해 제한된 높이를 가지는 파우치 셀의 셀 스택에 비해 더 큰 셀 스택의 저장을 허용한다. 즉, 본 명세서에 개시된 배터리 모듈 하우징은 금속 포일 라미네이트 재료의 드로잉을 필요로 하지 않으므로, 딥 드로잉 프로세스에서 파우치 셀을 형성하는 것과 관련된 일부 문제들(예를 들어, 드로잉 깊이 제한, 드로잉으로 인한 재료 손상, 파우치 재료에서 복잡한 조인트들의 밀봉)을 면하게 된다.
제 1 및 제 2 커버 요소들은 열 밀봉 공정에서 프레임의 평평한 표면들에 결합되는 시트로서 제공된다. 결과적으로, 밀봉된 조인트들은 간단하고, 형성하기 쉬우며, 따라서 신뢰성이 있다. 또한, 제 1 및 제 2 커버 요소들이 프레임에 직접 밀봉되기 때문에, 배터리 모듈 하우징에는 금속 포일 라미네이트 재료를 접고 파우치에 밀봉하는 구성과 연된된 플랜지가 없다. 결과적으로, 배터리 팩 내의 다른 배터리 모듈과의 배터리 모듈의 패킹 효율이 향상된다.
강성 프레임은 단자, 밸브 포트 및/또는 센서와 같은 보조적인 구조체들을 셀들에 근접하여 쉽고 안전하게 장착될 수 있게 한다. 프레임의 강성으로 인해, 모듈 하우징 내의 보조적인 구조체의 밀봉은 파우치형 하우징(pouch type housing)에 이러한 구조체들을 제공할 때보다 덜 복잡하고 신뢰성이 높아진다.
본 개시의 하나 이상의 특징들, 양상들, 구현들 및 이점들의 세부 사항들은 하기의 첨부 도면들, 상세한 설명 및 청구 범위에 기재되어 있다.
도 1은 배터리 모듈 하우징 및 하우징 내에 배치된 전기 화학 셀들의 스택을 포함하는 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 라인 2-2를 가로질러 보여지는 배터리 모듈 하우징의 단면도이다.
도 3은 전기 화학 셀의 단면도이다.
도 4는 도 1의 라인 4-4를 가로질러 보여지는 배터리 모듈 하우징의 단면도이다.
도 5는 도 1의 라인 4-4를 가로질러 보여지는 대안적인 실시예의 배터리 모듈 하우징의 단면도이다.
도 6은 대안적인 실시예의 배터리 모듈 하우징 및 하우징 내에 배치된 전기 화학 셀들의 스택을 포함하는 대안적인 실시예의 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 7은 도 6의 라인 7-7을 가로질러 보여지는 배터리 모듈 하우징의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 모듈(1)은, 전기적으로 상호 접속되고 배터리 모듈 하우징(2) 내에 조직적으로 저장되는 전기 화학 셀들(102)을 포함하는 에너지 저장 디바이스이다. 셀들(102)은 예를 들어 적층에 의해 모듈 하우징(2) 내에 배열될 수 있다. 배터리 모듈 하우징(2) 내에서, 셀들(102)은 직렬 또는 병렬로 전기적으로 접속된다. 몇몇 배터리 모듈들(1)은 배터리 팩 하우징(도시되지 않음) 내에 배치되어 배터리 팩을 형성할 수 있고, 배터리 팩 하우징 내에서 배터리 모듈들(1)은 직렬 또는 병렬로 전기적으로 접속된다. 배터리 모듈 하우징(2)은 후술하는 바와 같이 프리즘 디자인과 파우치 디자인 모두의 특성들을 갖는다.
도 3을 참조하면, 각각의 셀(102)은 셀 하우징(104) 및 셀 하우징(104) 내에 밀봉된 전극 조립체(105)를 포함한다. 셀 하우징(104)은, 접혀서 가요성 파우치의 형태로 밀봉되는 박막을 형성하도록 얇은 플라스틱 층들 사이에 적층된 금속 포일로 형성된 파우치형 하우징이다. 도시된 실시예에서, 셀 하우징(104)은 낮은 프로파일인 직사각형 형상을 갖지만, 이러한 구성에 제한되지는 않는다.
셀들(102) 내에 배치된 전극 조립체(105)는 개별 음극판들(예를 들어, 음극들)(108)과 교번하며 중간 분리판(예를 들어, 분리기)(110)에 의해 분리된 일련의 적층된 개별 양극판들(예를 들어, 양극들)(106)을 포함한다. 양극들(106), 음극들(108) 및 분리기들(110)는 전극 적층 축(112)을 따라 정렬된 셀 스택을 형성한다.
양극 및 음극(106, 108) 각각은 리튬-이온들의 삽입 및/또는 이동을 용이하게 하는 층으로 된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 예시된 실시예에서, 양극(106)은 구리와 같은 제 1 전기 전도성 재료로 형성된 제 1 기판(도시되지 않음)을 포함한다. 또한, 양극(106)은 제 1 기판의 적어도 한 면에 배치된 흑연(graphite)과 같은 제 1 활물질(도시되지 않음)을 포함한다. 제 1 활물질은 예를 들어 인쇄 공정에서 제 1 기판 상에 제공된다.
음극(108)은 알루미늄과 같은 제 2 전기 전도성 물질로 형성된 제 2 기판(도시되지 않음)을 포함한다. 또한, 음극(108)은 제 2 기판의 적어도 일 면에 배치된 리튬화 금속 산화물 코팅(lithiated metal oxide coating)과 같은 제 2 활물질(도시되지 않음)을 포함한다. 제 2 활물질은 예를 들어 인쇄 공정에서 제 2 기판 상에 제공된다.
분리기(110)는, 전해질에 제공된 이온 전하 운반체들(ionic charge carriers)의 통과를 허용하면서 전기 단락을 방지하기 위해 양극 및 음극(106, 108)을 이격시키는 기능을 하며, 또한 셀(102) 내에서 전류가 통과하는 동안 회로를 폐쇄하도록 요구되는 투과성 막(permeable membrane)이다. 분리기(110)는 3 층 폴리프로필렌-폴리에틸렌-폴리프로필렌 막(tri-layer polypropylene-polyethylene -polypropylene membrane)과 같은 전기 절연 물질로 형성된다.
도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 셀들(102)은 배터리 모듈 하우징(2) 내에서 2 차원 또는 3 차원 어레이, 예를 들어 셀 스택(114)으로 지칭되는 정렬된 적층 배열(aligned, stacked arrangement)로 배열된다. 셀 스택(114) 내에서, 셀들(102)의 적층 방향은 전극 적층 축(112)에 평행하다.
배터리 모듈 하우징(2)은 셀 스택(114)을 하우징하는 폐쇄된 밀봉 용기를 형성하도록 서로 기능하는 프레임(4), 제 1 커버 요소(60) 및 제 2 커버 요소(80)를 포함한다.
프레임(4)은 셀 스택(114)의 외주를 둘러싸는(예를 들어, 완전히 둘레를 둘러싸는) 강성의 직사각형 튜브형 구조이다. 프레임(4)은 각각의 단부에서 개방된 벽 구조를 형성하기 위해(예를 들어, 폐쇄 섹션을 형성하기 위해) 대향 단부들에서 접속된 4 개의 빔 요소들(5a, 5b, 5c, 5d)을 포함한다. 프레임(4)은 셀 스택(114) 쪽을 향하는 내부 표면(6) 및 내부 표면(6)과 반대쪽의 외부 표면(8)을 갖는다. 프레임(4)은 셀 스택(114)의 하나의 단부(116)에서 내부 표면(6)을 외부 표면(8)에 결합시키는 제 1 에지(10) 및 셀 스택(114)의 대향 단부(118)에서 내부 표면(6)을 외부 표면(8)에 결합하는 제 2 에지(12)를 포함한다.
일부 실시예들에서, 프레임(4)은 전기적 비전도성 플라스틱으로 형성된다. 다른 실시예들에서, 프레임(4)은 금속으로 형성된다. 프레임(4)은 셀 스택(114)을 물리적으로 지지하고 셀 스택(114)을 사용 중에 원하는 위치 및 배향으로 유지하기에 충분히 강성이다. 또한, 프레임(4)은 정상적인 취급 및 사용 과정에서 발생할 수 있는 충격뿐만 아니라 배터리 모듈(1)이 떨어지는 경우에 일어날 수 있을 것 같은 극단적인 상태들 동안에 일어날 수 있는 충격으로 인한 셀 스택(114) 내에서의 셀들(102)의 변형을 방지하도록 충분히 강성일 수 있다.
프레임(4)은 프레임(4)의 두께(t)가 프레임(4)의 높이(h)와 빔(5)(또는 대안적으로, 프레임(4)의 외주)의 길이(L)에 비해 작다는 점에서 얇은 벽이 되며, 여기서, 프레임 두께(t)는 프레임 내부 표면(6)과 프레임 외부 표면(8) 사이의 거리에 대응하고, 프레임 높이(h)는 제 1 에지(10)와 제 2 에지(12) 사이의 거리에 대응하고, 빔 길이(L)는 두께 및 높이 방향을 가로지르는 방향의 치수가 된다. 프레임 높이(h)는 셀 스택(114)의 높이에 대응하거나 또는 그보다 약간 더 크게 설정된다.
프레임(4)은 대향 프레임 개방 단부들을 폐쇄하는 제 1 및 제 2 커버 요소들(60, 80)을 포함한다. 제 1 커버 요소(60)는 금속 포일 라미네이트 재료로 형성되고, 셀 스택(114)의 하나의 단부(116) 위에 놓인다. 제 1 커버 요소(60)는 프레임(4)의 제 1 에지(10)에 의해 정의된 크기 및 형상에 대응하는 크기 및 형상을 갖는다. 제 1 커버 요소(60)의 주변 에지(66)는 제 1 커버 요소(60)의 주변 에지(66) 전체를 따라 프레임(4)의 제 1 에지(10)에 밀봉된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 가열 요소가 제 1 커버 요소(60)를 프레임 제 1 에지(10)에 결합시키는 밀봉 라인(seal line)(68)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 밀봉 라인(68)은 제 1 에지(10)의 전체 길이를 따라 연장되어 폐쇄 루프를 형성하고, 이에 의해 제 1 커버 요소(60)는 프레임(4)의 하나의 단부를 폐쇄 및 밀봉한다.
유사하게, 제 2 커버 요소(80)는 금속 포일 라미네이트 재료로 형성되고, 셀 스택(114)의 대향 단부(118) 위에 놓인다. 제 2 커버 요소(80)는 프레임(4)의 제 2 에지(12)에 의해 정의된 크기 및 형상에 대응하는 크기 및 형상을 갖는다. 제 2 커버 요소(80)의 주변 에지(86)는 제 2 커버 요소(80)의 주변 에지(86) 전체를 따라 프레임(4)의 제 2 에지(12)에 밀봉된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 가열 요소가 제 2 커버 요소(80)를 프레임 제 2 에지(12)에 결합시키는 밀봉 라인(88)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 밀봉 라인(88)은 제 2 에지(12)의 전체 길이를 따라 연장되어 폐쇄 루프를 형성하고, 이에 의해 제 2 커버 요소(80)는 프레임(4)의 대향 단부를 폐쇄 및 밀봉한다.
금속 포일 라미네이트 재료는 폴리아미드 층과 폴리프로필렌 층 사이에 개재된 금속 포일의 중앙 층, 예를 들어 알루미늄 포일을 포함하는 다층 재료이다. 일 예에서, 금속 포일 라미네이트 재료는 인접 층들 사이에 얇은 접착제에 의해 결합된 하기 3 개의 층들을 가질 수있다: 배향된 나일론/알루미늄 포일/폴리프로필렌. 다른 예에서, 금속 포일 라미네이트 재료는 인접 층들 사이에 얇은 접착제에 의해 결합된 하기 4 개의 층들을 가질 수있다: 폴리에틸렌 테레프탈레이트/배향된 나일론/알루미늄 포일/폴리 프로필렌. 이러한 구조로 인해, 금속 포일 라미네이트 재료는 가요성 시트가 된다. 프레임(4)의 각각의 단부 상에 금속 포일 라미네이트 재료로 형성된 커버 요소들(60, 80)을 제공함으로써, 커버 요소들은 셀 및 전극 적층 방향들을 가로지르게 놓이도록(예를 들어, 전극 적층 축(112)을 가로지르는 방향) 배열되고, 배터리 모듈(1)은 셀 작동 중에 일어나는 셀 치수의 변화들("셀 성장")을 수용하도록 구성되어, 그에 의해 셀들이 완전히 강성의 하우징에 저장될 때 종종 일어나는 셀 손상들을 피할 수 있다.
제 1 및 제 2 커버 요소들(60, 80)이 프레임(4)의 대향 개방 단부들을 폐쇄하고 밀봉하기 때문에, 모듈 하우징(2)은 밀봉된 내부 공간(3)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 모듈 하우징(2)의 내부 공간(3)은 대기압보다 낮은 압력에 있다. 모듈 하우징(2) 내에 진공을 제공함으로써, 배터리 모듈(1)의 구조적 무결성(structural integrity)은 진공 상태가 아닌 유사한 구조에 비해 개선될 수 있다.
프레임(4)은 프레임 내부 및 외부 표면들(6, 8) 사이에서 프레임(4)을 통한 유체 흐름을 허용하도록 구성된 밸브 형 포트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프레임(4)은 가스 제거 밸브형 포트(degas valved port)(26) 및/또는 전해질 충전 밸브 포트(28)를 포함할 수 있다. 밸브 포트들(26, 28)은, 포트들(26, 28)이 개방 구성일 때 유체가 배터리 모듈 하우징(2)의 내부 공간(3)과 외부 사이를 통과할 수 있고, 포트들(26, 28)이 폐쇄된 구성일 때 유체가 배터리 모듈 하우징(2)의 내부 공간(3)과 외부 사이를 통과하는 것을 방지하도록 구성된다.
프레임(4)은 셀 스택(114)의 적어도 하나의 셀(102)의 동작 특성을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프레임(4)은 셀(102) 또는 셀 스택(114)의 충전 상태를 검출하기 위한 전압 센서(32), 셀 스택(112)의 셀(102)의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(34) 및/또는 배터리 모듈 하우징(2) 내의 셀들(102)의 모니터링 및/또는 제어를 용이하게 하는 다른 적절한 센서들을 포함할 수 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 일부 실시예들에서, 프레임(4)은 제 1 및 제 2 전기 전도성 단자들(36, 38)을 포함한다. 단자들(36, 38) 각각은 프레임(4)의 내부 표면(6)으로부터 안쪽으로 돌출하고 적어도 하나의 셀(102)의 양극(106) 및 음극(108) 중 하나와의 전기적 접속을 갖는 제 1 단부(37)를 포함한다. 단자들(36, 38)은 외부 구조체와의 전기적 접속을 허용하기 위해 프레임(4)의 외부 표면(8)으로부터 바깥쪽으로 돌출되는 제 2 단부(39)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 프레임(4')은 단자들(36, 38)을 포함하지 않고, 대신에 밀봉된 통과 단자 개구(sealed pass-through terminal opening)(136)를 포함한다. 단자 개구(136)는 적어도 하나의 셀(102)의 양극(106) 및 음극(108) 중 하나로부터 돌출된 부분, 예를 들어 단자들 또는 리드 탭들(lead tabs)(135)을 수용하도록 형상화되고 치수가 정해진다. 단자 개구(136)는 상기 단자 개구(136)를 통한 유체 흐름을 방지하는 개스킷(137)과 같은 밀봉부를 포함한다.
프레임(4)은 프레임(4)이 지지 구조체에 고정될 수 있게 하도록 구성된 하나 이상의 일체형 장착 피처(29)를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 일체형 장착 피처(29)는 프레임 외부 표면(8)으로부터 바깥쪽으로 돌출하는 보스(boss)(30)와, 보스(30) 내의 중심에 있게 두고 제 1 및 제 2 에지들(10, 12) 사이에서 연장되는 관통 구멍(31)을 포함한다. 관통 구멍(31)은 나사와 같은 체결구(fastener)(도시되지 않음)를 수용하도록 구성된다.
프레임(4)은 제 1 냉각 채널 개구(42)와 제 2 냉각 채널 개구(44) 사이에서 연장되는 하나 이상의 냉각 채널들(40)을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 냉각 채널 개구들(42, 44)은 프레임(4)의 외부로, 즉 외부 표면(8)에서 개방되며, 냉각 채널(40)은 프레임(4) 내에 유체 흐름 경로를 형성한다. 냉각 채널(40)은 공기 또는 액체 냉각제와 같은 유체를 수용하도록 구성되며, 상기 유체는 수동적으로 또는 능동적으로 구동되는 방식으로 채널(40)을 통해 흐를 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 대안적인 배터리 모듈 하우징(202)은 도 1에 도시된 배터리 모듈 하우징(2)과 공통의 특징들을 포함하고, 공통 요소들은 공통 참조 번호들로 지칭된다. 도 6에 도시된 배터리 모듈 하우징(202)은 대안적인 제 1 및 제 2 커버 요소들(260, 280)을 포함한다는 점에서 전술한 실시예와 다르다. 제 1 및 제 2 커버 요소들(260, 280)은 프레임의 제 1 및 제 2 에지들(10, 12)을 넘어서 연장되도록 치수가 설정되고, 이에 의해 제 1 및 제 2 커버 요소들(260, 280)의 주변 에지들(266, 286)이 프레임(4)의 외부 표면(8)에 겹쳐져 밀봉된다. 특히, 제 1 및 제 2 커버 요소들(260, 280)은 폐쇄 루프를 형성하기 위해 프레임(4)의 외주의 둘레로 연장되는 밀봉 라인들(268, 288)을 따라 프레임(4)에 결합된다.
본 명세서에 기술된 셀들(102)은 각각의 셀(102)이 적층된 배열로 여러 양극 및 음극 쌍들을 포함하는 파우치형 셀들이지만, 셀들(102)은 이러한 전극 배열에 제한되지 않는다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 셀(102)은 "젤리 롤(jelly roll)" 전극 배열을 제공하기 위해 롤링되고 셀 하우징에 하우징되는 단일의 긴 전극 쌍을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 각각의 셀(102)은 분리기에 의해 분리되고 적층 구성으로 배열된 단일의 전극 쌍을 갖는다. 단일의 전극 쌍은 셀 하우징, 예를 들어 파우치형 하우징 또는 파우치-프리즘 하이브리드 하우징에 하우징될 수 있다. 대안적으로, 단일의 전극 쌍은 하우징이 없을 수도 있으며, 전극들은 하우징 및 셀 단자 모두로서 기능한다.
본 명세서에 기술된 셀들(102)은 낮은 프로파일의가요성 파우치를 형성하도록 배열된 금속 포일 라미네이트 셀 하우징(104)을 갖는 파우치형 셀들이지만, 배터리 모듈 하우징(2)은 프리즘형 및 원통형을 포함하는 다른 형태들의 셀 하우징들을 갖는 셀들을 수용할 수 있다.
전술한 실시예들은 예로서 도시되었으며, 이들 실시예들은 다양한 변형들 및 대안적인 형태들에 영향을 받을 수 있음을 이해해야 한다. 청구 범위는 개시된 특정 형태들로 제한되는 것이 아니라 본 개시의 사상 및 범위에 속하는 모든 변형들, 등가물들 및 대안들을 포함하도록 의도된다는 것을 이해해야 한다.

Claims (11)

  1. 배터리 모듈에 있어서,
    셀 스택으로 배열되는 전기 화학 셀들로서, 각각의 셀은 양극, 음극 및 분리기를 포함하고, 상기 분리기는 양극과 음극 사이에 끼워져 있으며 양극과 음극 사이의 물리적 접촉을 방지하는, 상기 전기 화학 셀들,
    상기 셀 스택의 외주를 둘러싸는 강성 프레임(rigid frame)으로서, 상기 셀 스택 쪽을 향하는(face) 내부 표면, 상기 내부 표면과 반대쪽의(opposed to) 외부 표면, 상기 내부 표면을 상기 셀 스택의 한 단부에서 상기 외부 표면에 결합시키는 제 1 에지, 및 상기 내부 표면을 상기 셀 스택의 다른 단부에서 상기 외부 표면에 결합시키는 제 2 에지를 갖는, 상기 강성 프레임,
    금속 포일 라미네이트 재료로 형성된 제 1 커버 요소로서, 상기 제 1 커버 요소는 상기 셀 스택의 한 단부 위에 놓이고, 상기 제 1 커버 요소의 주변 에지는 상기 제 1 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 상기 프레임에 결합되는, 상기 제 1 커버 요소, 및
    금속 포일 라미네이트 재료로 형성된 제 2 커버 요소로서, 상기 제 2 커버 요소는 상기 셀 스택의 다른 단부 위에 놓이고, 상기 제 2 커버 요소의 주변 에지는 상기 제 2 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 상기 프레임에 결합되는, 상기 제 2 커버 요소를 포함하며,
    상기 제 1 커버 요소, 상기 제 2 커버 요소 및 상기 프레임은 서로 작용하여 상기 셀 스택을 포함하는 모듈 하우징을 형성하는, 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 커버 요소는 상기 제 1 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 상기 프레임에 밀봉되고,
    상기 제 2 커버 요소는 상기 제 2 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 상기 프레임에 밀봉되고,
    그에 따라, 상기 제 1 커버 요소, 상기 제 2 커버 요소 및 상기 프레임은 서로 작용하여 상기 셀 스택을 포함하는 밀봉된 모듈 하우징을 형성하는, 배터리 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 모듈 하우징의 내부 공간은 대기압보다 낮은 압력에 있는, 배터리 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임은 적어도 하나의 포트를 포함하며, 상기 적어도 하나의 포트는 상기 포트가 개방 구성 상태일 때 상기 프레임을 통한 유체 흐름을 허용하도록 구성되고, 상기 포트가 폐쇄 구성 상태일 때 상기 프레임을 통한 유체 흐름을 방지하도록 구성되는, 배터리 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임은 상기 셀 스택의 적어도 하나의 셀의 동작 특성을 검출하도록 구성되는 적어도 하나의 센서를 포함하는, 배터리 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임은 전기적 전도성 단자를 포함하고, 상기 단자는 상기 프레임의 내부 표면으로부터 안쪽으로 돌출하고 적어도 하나의 셀의 양극 및 음극 중 하나와 전기적으로 접촉하는 제 1 단부를 포함하고, 상기 단자는 상기 프레임의 외부 표면으로부터 바깥쪽으로 돌출하는 제 2 단부를 포함하는, 배터리 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 커버 요소는 상기 제 1 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 상기 제 1 에지에 결합되고,
    상기 제 2 커버 요소는 상기 제 2 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 상기 제 2 에지에 결합되는, 배터리 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임은 상기 프레임이 지지 구조체에 고정될 수 있도록 구성된 일체형 장착 피처(integral mounting features)를 포함하는, 배터리 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임은,
    적어도 하나의 셀에 전기적으로 접속된 단자의 통과를 허용하도록 구성된 단자 개구(terminal opening), 및
    상기 단자와 상기 단자 개구 사이의 유체 흐름을 방지하도록 구성된 상기 단자 개구 내에 배치된 밀봉부(seal)를 포함하는, 배터리 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임은 제 1 냉각 채널 개구와 제 2 냉각 채널 개구 사이에서 연장되는 냉각 채널(cooling channel)을 포함하고, 상기 냉각 채널은 상기 프레임 내의 유체 흐름 경로를 정의하는, 배터리 모듈.
  11. 전기 화학 셀들의 어레이를 수용하고 지지하도록 구성된 배터리 모듈 하우징을 포함하는 배터리 모듈에 있어서, 상기 배터리 모듈 하우징은,
    상기 셀 어레이의 외주를 둘러싸는 강성 프레임으로서, 상기 셀 어레이 쪽을 향하는 내부 표면, 상기 내부 표면과 반대쪽의 외부 표면, 상기 내부 표면을 상기 셀 어레이의 한 단부에서 상기 외부 표면에 결합시키는 제 1 에지, 및 상기 내부 표면을 상기 셀 어레이의 다른 단부에서 상기 외부 표면에 결합시키는 제 2 에지를 갖는, 상기 강성 프레임,
    금속 포일 라미네이트 재료로 형성된 제 1 커버 요소로서, 상기 제 1 커버 요소는 상기 셀 어레이의 한 단부 위에 놓이고, 상기 제 1 커버 요소의 주변 에지는 상기 제 1 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 상기 프레임에 결합되는, 상기 제 1 커버 요소, 및
    금속 포일 라미네이트 재료로 형성된 제 2 커버 요소로서, 상기 제 2 커버 요소는 상기 셀 어레이의 다른 단부 위에 놓이고, 상기 제 2 커버 요소의 주변 에지는 상기 제 2 커버 요소의 주변 에지 전체를 따라 상기 프레임에 결합되는, 상기 제 2 커버 요소를 포함하며,
    상기 제 1 커버 요소, 상기 제 2 커버 요소 및 상기 프레임은 서로 작용하여 상기 전기 화학 셀들을 포함하는 모듈 하우징을 형성하는, 배터리 모듈.
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