KR20220087529A - 배터리 팩 및 전기 차량 - Google Patents

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KR20220087529A
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plate
cell
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KR1020227017471A
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룽 허
화쥔 쑨
즈페이 루
룽 완
옌 주
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비와이디 컴퍼니 리미티드
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Publication date
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Abstract

배터리 팩 및 전기 차량이 제공된다. 배터리 팩은 배터리 어레이(101)를 포함하고, 배터리 어레이(101)는 복수의 단일 배터리(102)를 포함하고, 각각의 단일 배터리(102)는 길이(L), 두께(D) 및 길이(L)와 두께(D) 사이의 높이(H)를 포함하고, 복수의 단일 배터리(102)는 두께 방향으로 배열되고 구조적 접착제에 의해 접합되고, 2개의 제1 보강 판(104)을 포함하고, 2개의 제1 보강 판(104)은 서로 대향하여 배열되고 배터리 어레이(101)의 2개의 표면에 대해 단일 배터리(102)의 배열 방향으로 접합되어, 단일 배터리(102)의 상대적 위치를 구속한다.

Description

배터리 팩 및 전기 차량
관련 출원에 대한 교차 참조
본 개시내용은 발명의 명칭을 "배터리 팩 및 전기 차량(Battery Pack and Electric Vehicle)"으로 하여 2019년 11월 29일자로 BYD Company Limited에 의해 출원된 중국 특허 출원 번호 201911198132.9에 대한 우선권 및 이익을 주장한다. 상기 출원의 전체 내용은 본 명세서에서 참조로 통합되었다.
본 개시내용은 배터리 분야에 관한 것으로, 특히 배터리 팩 및 전기 차량에 관한 것이다.
관련 기술 분야에서, 배터리 팩은 트레이 및 밀봉 커버를 더 포함한다. 배터리 모듈은 트레이 및 밀봉 커버에 의해 형성된 수용 챔버에 배열된다. 트레이는 저부 판 및 저부 판 주위에 연결된 측면 빔들을 포함한다. 트레이의 강성 및 강도를 증가시키기 위해, 보강 횡방향 빔들 및/또는 종방향 빔들이 트레이에 배열된다. 배터리 모듈은 나사 또는 다른 구조적 부재에 의해 횡방향 빔 및/또는 종방향 빔에 고정된다. 배터리들 및 구조 부재들은 배터리 팩 내측에 산포되고 패스너들 또는 접착에 의해 함께 조립되기 때문에, 이러한 배터리 팩은 시스템 레벨에서 높은 무결성을 갖지 않는다. 배터리 팩이 차량에 설치된 후에, 배터리 팩만의 구조는 차량 레벨에서 기계적 안전 성능을 만족시킬 수 없고, 배터리 팩의 구조는 차량의 프레임에 의해 지지되고 보호될 필요가 있다. 그 결과, 현재 배터리 팩 및 차량에 대해 콤팩트한 그리고 경량의 설계가 달성될 수 없어서, 더 높은 전체 비용들 및 차량 및 배터리 팩의 복잡한 구조적 설계를 야기한다.
위에서 언급된 기술적 문제들 중 적어도 하나를 해결하기 위해, 본 개시내용의 제1 양태에 따라, 배터리 팩이 제공된다. 배터리 팩은 셀 어레이 및 2개의 제1 보강 판들을 포함한다. 셀 어레이는 다수의 셀들을 포함한다. 셀들 각각은 길이(L), 두께(D), 및 길이(L)와 두께(D) 사이의 높이(H)로 규정된다. 다수의 셀은 두께 방향을 따라 배열되고, 셀은 구조적 접착제에 의해 서로 접착된다. 2개의 제1 보강 판은 서로 대향하여 배열되고, 셀들의 배열 방향을 따라 셀 어레이의 2개의 표면에 각각 접착되며, 셀들 사이의 상대적 위치들을 제약하도록 구성된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 2개의 제1 보강 판은 높이 방향을 따라 셀들의 2개의 대향 표면에 각각 접착된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 셀들 중 적어도 하나는 600 mm≤L≤2500 mm, 및 10 ≤L/D≤208을 충족한다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 배터리 팩은 셀들의 높이 방향을 따라 배열된 셀 어레이들의 다수의 층을 포함하고, 분할 판이 셀 어레이들의 2개의 이웃하는 층 사이에 배열되고, 분할 판은 분할 판의 2개의 측면에서 셀 어레이들에 고정 접착된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 제2 보강 판이 적어도 2개의 이웃하는 셀 사이에 배열되고, 제2 보강 판은 제2 보강 판의 2개의 측면에 배열된 셀들에 고정적으로 접착된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 배터리 팩은 상부 커버 및 트레이를 더 포함하고, 트레이는 저부 판 및 저부 판을 둘러싸는 측면 프레임을 포함하고, 상부 커버 및 트레이는 셀 수용 챔버를 형성하도록 연결되고, 셀 어레이는 셀 수용 챔버에 배열된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 2개의 제1 보강 판은 각각 상부 커버 및 저부 판을 구성한다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 배터리 팩은 보호 판을 더 포함하고, 보호 판은 저부 판의 외부 표면 상에 배열된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 보호 판은 알루미늄 판들의 2개의 층, 및 알루미늄 판들의 2개의 층 사이에 개재된 강철 판 또는 발포 알루미늄 판을 포함한다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 보호 판은 2개의 섬유 복합재 층 및 2개의 섬유 복합재 층 사이에 개재된 발포 중합체 층을 포함하고, 섬유 복합재 층은 유리 섬유 층 또는 탄소 섬유 층을 포함한다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 2개의 제1 보강 판의 외부 표면들은 상부 커버의 내부 표면 및 저부 판의 내부 표면에 각각 접착된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 저부 판 또는 상부 커버 중 적어도 하나는 알루미늄 판들의 2개의 층, 및 알루미늄 판들의 2개의 층 사이에 개재된 강철 판 또는 발포 알루미늄 판을 포함한다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 저부 판 및 상부 커버 중 적어도 하나는 2개의 섬유 복합재 층, 및 2개의 섬유 복합재 층 사이에 개재된 발포 중합체 층을 포함하고, 섬유 복합재 층은 유리 섬유 층 또는 탄소 섬유 층을 포함한다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 상부 커버는 측면 프레임에 대응하는 위치에 밀봉 홈을 구비하고, 밀봉재 층은 밀봉 홈에 배열되고, 상부 커버 및 트레이는 밀봉재 층에 의해 밀폐 연결된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 셀 어레이와 측면 프레임 사이의 갭이 구조적 접착제로 채워진다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 셀들 각각은 길이 방향을 따라 서로 대향하여 배열된 제1 단부 및 제2 단부를 포함하고, 측면 프레임은 셀들 각각의 길이 방향을 따라 서로 대향하여 배열된 제1 측면 프레임 및 제2 측면 프레임을 포함하고, 셀들 각각의 제1 단부는 제1 측면 프레임에 의해 지지되고, 셀들 각각의 제2 단부는 제2 측면 프레임에 의해 지지된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 제1 지지 단차가 제1 측면 프레임 상에 배열되고, 제2 지지 단차가 제2 측면 프레임 상에 배열되고, 셀들 각각의 제1 단부는 제1 지지 단차에 의해 지지되고, 셀들 각각의 제2 단부는 제2 지지 단차에 의해 지지된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 배터리 팩은 지지 구조체를 더 포함하고, 셀들 각각의 제1 단부는 지지 구조체를 통해 제1 측면 프레임에 끼워맞춤되고 그에 의해 지지되며, 및/또는 셀의 제2 단부는 지지 구조체를 통해 제2 측면 프레임에 끼워맞춤되고 그에 의해 지지된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 지지 구조체는 제1 지지 블록을 포함하고, 셀들 각각의 제1 단부의 하부 표면이 제1 지지 블록을 통해 제1 측면 프레임에 의해 지지되며, 및/또는 셀들 각각의 제2 단부의 하부 표면이 제1 지지 블록을 통해 제2 측면 프레임에 의해 지지된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 지지 구조체는 제2 지지 블록을 포함하고, 제1 측면 프레임에 대면하는 셀들 각각의 제1 단부는 제2 지지 블록을 통해 제1 측면 프레임에 끼워맞춤되며; 및/또는 제2 측면 프레임에 대면하는 셀들 각각의 제2 단부는 제2 지지 블록을 통해 제2 측면 프레임에 끼워맞춤된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 셀들 각각은 전극 단자들을 포함하고, 전극 단자들은 셀들 각각의 제1 단부 및 제2 단부에 각각 배열되고, 지지 구조체 상에는 홀들이 제공되고, 셀들 각각의 전극 단자들은 홀들을 통해 각각 연장되고 셀 커넥터에 의해 전기적으로 연결된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 배터리 팩은 절연 분할 판을 더 포함하고, 절연 분할 판은 지지 구조체와 측면 프레임의 내부 표면 사이에 배열된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 배터리 팩은 셀들의 배열 방향을 따라 서로 대향하여 배열된 제3 측면 프레임 및 제4 측면 프레임을 더 포함하고, 제3 측면 프레임 및 제4 측면 프레임은 그에 인접한 셀들 각각에 각각 고정 접착된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 보강 빔이 제3 측면 프레임 및/또는 제4 측면 프레임 상에 배열되고, 보강 빔은 셀 어레이의 확장을 제한하도록 구성된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 제1 보강 판의 두께는 1-3 mm이다.
본 개시내용의 제2 양태에 따르면, 상기 구현예들 중 어느 하나에 따른 배터리 팩을 포함하는 전기 차량이 제공된다.
종래 기술에 비해, 본 개시내용은 다음의 유리한 효과를 갖는다. 본 개시내용에서, 2개의 제1 보강 판은 셀들의 배열 방향을 따라 셀 어레이의 2개의 대향 표면 상에 배열되고, 2개의 제1 보강 판은 셀들 사이의 상대적 위치들을 제약하여, 셀들이 서로 접착될 때 2개의 이웃하는 셀 사이의 갭 내의 취약한 지점들을 제거하도록 구성된다. 2개의 제1 보강 판 및 셀 어레이는 벌집형 구조를 형성하고, 따라서 배터리 팩은 큰 강성의 일체형 구조 부재로서 설계된다. 이러한 벌집형 구조는 불안정성에 대한 강한 저항, 높은 굽힘 강성, 및 상당히 감소된 중량을 갖는다. 따라서, 배터리 팩의 강성 및 강도가 크게 향상되고, 이에 의해 기계적 안전성 및 신뢰성을 향상시킨다. 사용 중일 때, 일체형 배터리 팩의 구조적 강도는 차량의 구조적 강도의 일부를 제공한다. 배터리 팩은 차량의 구조적 강도를 향상시키기 위해 사용될 수 있고, 배터리 팩은 차량에 의해 보호될 필요가 없다. 이러한 설계로 인해, 배터리 팩의 구조적 강도를 보호하기 위해 차량의 프레임을 위해 설계되는 구조의 단순화 또는 심지어 제거가 가능하며, 차량의 경량 설계를 위한 요건들이 충족되어, 제조 비용이 감소되고 차량 생산의 효율이 향상된다.
도 1은 본 개시내용에 따른 셀 어레이에 대한 제1 보강 판들의 접착을 도시하는 개략적인 구조도이다.
도 2는 본 개시내용에 따른 배터리 팩의 개략적인 구조도이다.
도 3은 본 개시내용에 따른 셀 어레이의 개략적인 구조도이다.
도 4는 본 개시내용에 따른 트레이에 배열된 셀 어레이의 개략적인 구조도이다.
도 5는 본 개시내용에 따른 상부 커버 및 트레이에 대한 셀 어레이의 접착을 도시하는 개략적인 구조도이다.
도 6은 본 개시내용에 따른 트레이의 측면 프레임에 끼워맞춤되는 셀 어레이의 개략적인 구조도이다.
도 7은 도 6의 부분 확대도이다.
도 8은 본 개시내용에 따른 제1 지지 구조체의 개략적인 구조도이다.
도 9는 본 개시내용에 따른 제2 지지 구조체의 개략적인 구조도이다.
도 10은 본 개시내용에 따른 제2 지지 구조체, 셀 커넥터 및 절연체의 분해도이다.
도 11은 본 개시내용에 따른 트레이의 저부 판에 대한 제1 보강 판의 접착을 도시하는 개략적인 구조도이다.
도 12는 본 개시내용에 따른 저부 판의 외부 표면 상의 보호 판의 배열을 도시하는 개략적인 구조도이다.
도 13은 본 개시내용에 따른 셀 어레이 내의 제2 보강 판들의 배열을 도시하는 개략적인 구조도이다.
도 14는 본 개시내용에 따른 셀의 개략적인 구조도이다.
도 15는 본 개시내용에 따른 배터리 팩의 단면도이다.
참조 번호
100 배터리 팩;
101 셀 어레이; 1011 구조적 접착제;
102 셀;
103 트레이; 1031 제1 측면 프레임; 1032 제2 측면 프레임; 1033 제3 측면 프레임; 1034 제1 지지 단차; 1035 저부 판;
104 제1 보강 판;
105 상부 커버;
106 제1 지지 블록
107 제2 지지 블록; 1071 홀;
108 제2 보강 판;
109 절연 분할 판;
110 셀 커넥터
111 보호 판;
X 셀의 두께 방향;
Y 셀의 길이 방향;
Z 셀의 높이 방향.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 개시내용은 셀 어레이(101) 및 2개의 제1 보강 판들(104)을 포함하는 배터리 팩(100)을 제공한다. 셀 어레이(101)는 다수의 셀(102)을 포함한다. 셀들 각각은 길이(L), 두께(D), 및 길이(L)와 두께(D) 사이의 높이(H)로 규정된다. 다수의 셀(102)은 두께 방향을 따라 배열되고, 셀들(102)은 구조적 접착제(1011)에 의해 서로 접착된다. 2개의 제1 보강 판들(104)은 서로 대향하여 배열되고 셀들(102)의 배열 방향을 따라 셀 어레이(101)의 2개의 표면들에 접착되며, 셀들(102) 사이의 상대적 위치들을 제약하도록 구성된다.
관련 기술 분야에서는, 다수의 배터리 셀(102)이 우선 배터리 모듈로 조립된다. 다수의 배터리 모듈은 패스너들 또는 구조적 접착제에 의해 배터리 팩(100)으로 조립된다. 배터리 팩(100) 내의 셀들 및 구조적 부재들은 비교적 산포되고, 패스너들과 셀들 사이의 갭들, 셀들 사이의 갭들, 및 패스너들 사이의 갭들에 많은 취약한 지점들이 존재한다. 전체 배터리 팩(100)이 외력에 의해 압착되거나 충격을 받으면, 이들 취약한 지점들은 외력에 의해 파괴될 것이고, 패스너들 및 접착제의 체결 효과들이 실패하여, 전체 배터리 팩(100)에 다가오는 손상들을 초래한다.
외력에 의해 야기되는 손상을 방지하기 위해, 관련 기술 분야에서, 배터리 팩(100)의 케이싱의 강도는 배터리 팩(100)에 의한 외부 충격에 저항하기 위해 향상된다. 배터리 팩(100)의 강도를 향상시키기 위해, 트레이(103)의 저부 판(1035)은 더 높은 강도를 갖는 강철로 이루어지거나 더 두껍게 만들어진다. 또는 트레이(103)는 캐비티들을 갖는 다층 구조로서 구성되고, 보강 리브들이 캐비티 구조에 배열된다. 그러나, 배터리 팩(100)의 강도를 향상시키는 모든 방법들은 전체 배터리 팩(100)의 중량을 증가시키거나 배터리 팩(100)의 공간 활용을 감소시켜서, 배터리 팩(100)의 에너지 밀도를 감소시킨다.
본 개시내용에서, 셀들(102)은 서로 접착되어 셀 어레이(101)를 형성하고, 2개의 제1 보강 판(104)은 셀들(102)의 배열 방향을 따라 셀 어레이(101)의 2개의 대향 표면에 접착된다. 2개의 제1 보강 판(104)은 다수의 셀(102) 사이의 상대적 위치를 제약하고, 다수의 셀(102)과 일체형 구조를 형성하도록 구성된다. 이러한 일체형 구조는 셀들(102) 사이의 갭들에서 취약한 지점들을 제거할 수 있어, 배터리 팩(100)이 큰 강성의 일체형 구조 부재로서 설계될 수 있게 한다. 한편, 2개의 제1 보강 판(104) 및 2개의 제1 보강 판(104) 사이에 배열된 셀 어레이(101)는 벌집형 구조를 형성한다. 기계적 관점에서, 벌집형 구조는 최소 재료로 최대 힘을 지탱할 수 있다. 셀 어레이(101)가 제1 보강 판(104)에 수직인 하중을 받을 때, 제1 보강 판(104) 및 셀 어레이(101)는 협력하여 변형된다. 따라서, 배터리 팩(100)의 강성 및 강도가 크게 향상되고, 이에 의해 기계적 안전성 및 신뢰성이 향상된다.
본 개시내용에서, 도 14에 도시된 바와 같이, 셀(102)은 두께 방향으로 서로 대향하는 2개의 제1 표면, 높이 방향으로 서로 대향하는 2개의 제2 표면, 및 길이 방향으로 서로 대향하는 2개의 제3 표면을 포함하는 직육면체 구조의 프리즘 셀이다. 제1 표면의 면적은 제2 표면의 면적보다 크고, 제1 표면의 면적은 제3 표면의 면적보다 크다.
셀들(102)은 두께 방향을 따라 배열되고, 셀들(102)은 구조적 접착제에 의해 서로 고정 접착되는데, 즉 셀들(102)의 제1 표면들은 서로 접착된다. 즉, 셀들(102)은 그 큰 표면이 서로를 향해 대면하도록 배열 및 접착되고, 그에 따라 셀들(102) 사이의 접착 면적을 증가시키고 셀들(102) 사이의 접착을 향상시킨다.
셀들(102)의 배열 방향에서, 셀들(102)은 서로에 대해 변위할 가능성이 있다. 따라서, 2개의 제1 보강 판(104)이 셀들(102)의 배열 방향을 따라 셀 어레이(101)의 2개의 대향 표면에 접착됨으로써, 셀들(102) 사이의 상대적 위치가 제약될 수 있다.
본 개시내용에서, 2개의 제1 보강 판(104)은 셀들(102)의 2개의 제2 표면에 접착될 수 있거나, 셀들(102)의 2개의 제3 표면에 접착될 수 있다.
본 개시내용에서, 셀(102)의 길이가 셀(102)의 높이보다 크고 셀(102)의 높이가 셀(102)의 두께보다 크기 때문에, 길이 및 두께에 의해 형성되는 제2 표면의 면적은 높이 및 두께에 의해 형성되는 제3 표면의 면적보다 크다. 접착을 향상시키기 위해, 2개의 제1 보강 판(104)이 셀들(102)의 제2 표면들에 접착된다.
본 개시내용에서, 배열 방향을 따른 모든 셀들(102)의 2개의 표면은 제1 보강 판들(104)에 접착될 수 있거나, 배열 방향을 따른 셀들(102) 중 일부만의 2개의 표면이 제1 보강 판들(104)에 직접적으로 접착될 수 있다.
즉, 본 개시내용에서, 셀들 중 일부의 2개의 제2 표면 또는 2개의 제3 표면은 제1 보강 판들(104)에 접착될 수 있고, 셀들(102) 중 일부의 2개의 제2 표면 또는 2개의 제3 표면은 제1 보강 판들(104)에 접착되지 않을 수 있다.
접착 강도를 향상시키기 위해, 2개의 제1 보강 판(104)에 직접적으로 접착된 셀들(102)의 수는 셀 어레이(101)에 포함된 셀의 수의 절반 이상이다.
셀 어레이(101) 내의 적어도 하나의 셀(102)에 대해, 셀(102)의 2개의 제2 표면 또는 2개의 제3 표면은 양자 모두 2개의 제1 보강 판(104)에 접착될 수 있거나; 또는 셀(102)의 2개의 제2 표면 또는 2개의 제3 표면 중 하나가 제1 보강 판(104)에 접착되고, 다른 하나는 제1 보강 판(104)에 접착되지 않는다.
본 개시내용에서, 셀(102)의 2개의 제2 표면 또는 2개의 제3 표면은 제1 보강 판(104)에 전부 접착되거나, 셀들(102) 중 일부의 2개의 제2 표면 또는 2개의 제3 표면이 제1 보강 판(104)에 부분적으로 접착된다.
전체 배터리 팩(100)의 강도를 향상시키기 위해, 본 개시내용에서, 셀 어레이(101) 내의 모든 셀들(102)의 2개의 제2 표면 또는 2개의 제3 표면은 2개의 제1 보강 판(104)에 접착되어, 배터리 팩(100)의 강도 및 강성을 최대화한다.
본 개시내용에서, 2개의 제1 보강 판(104)의 형상들 및 면적들은, 2개의 제1 보강 판(104)이 특정 강도를 갖고 셀 어레이(101)를 연결하여 단일체를 형성할 수 있고 셀 어레이(101)의 구조적 강도를 향상시킬 수 있고 쉽게 변형 가능하지 않은 한, 특별히 제한되지 않는다.
일부 실시예들에서, 제1 보강 판(104)의 형상과 제1 보강 판(104)이 접착되는 셀 어레이(101)의 표면의 형상은 동일하고 서로 대응하여 설정되어, 제1 보강 판(104)이 셀 어레이(101)의 표면에 더욱 용이하게 밀착 접착될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 보강 판(104)의 면적은 제1 보강 판(104)이 접착되는 셀 어레이(101)의 표면의 면적과 상이할 수 있다. 배터리 팩(100)의 강도가 요건들을 충족하고 제1 보강 판(104)이 셀 어레이(101)를 연결하여 단일체를 형성할 수 있을 때, 제1 보강 판(104)의 면적은 제1 보강 판(104)이 접착되는 셀 어레이(101)의 표면의 면적보다 작을 수 있다.
일부 구현예들에서, 제1 보강 판들(104) 중 적어도 하나는 "
Figure pct00001
" 형상 판이고, "
Figure pct00002
" 형상 판의 "-" 형상 부분은 셀 어레이(101) 내의 셀(102)의 제2 표면과 접촉하여 배열되고, "
Figure pct00003
" 형상 판의 "|" 형상 부분은 셀 어레이(101) 내의 셀(102)의 제3 표면과 접촉하여 배열되거나; "
Figure pct00004
" 형상 판의 "-" 형상 부분은 셀 어레이(101) 내의 셀(102)의 제3 표면과 접촉하여 배열되고, "
Figure pct00005
" 형상 판의 "|" 형상 부분은 셀 어레이(101) 내의 셀(102)의 제2 표면과 접촉하여 배열된다.
일부 구현예들에서, 제1 보강 판(104) 중 적어도 하나는 "
Figure pct00006
" 형상 판이고, 여기서 "
Figure pct00007
" 형상 판의 "-" 형상 부분은 셀 어레이(101) 내의 셀(102)의 제2 표면과 접촉하여 배열되고, "
Figure pct00008
" 형상 판의 2개의 "|" 형상 부분은 셀 어레이(101) 내의 셀(102)의 제3 표면과 접촉하여 배열되거나; "
Figure pct00009
" 형상 판의 "-" 형상 부분은 셀 어레이(101) 내의 셀(102)의 제3 표면과 접촉하여 배열되고, "
Figure pct00010
" 형상 판의 2개의 "|" 형상 부분은 셀 어레이(101) 내의 셀(102)의 제2 표면과 접촉하여 배열된다.
제1 보강 판(104)의 에지 상에 셀 어레이(101)의 측 표면을 향해 만곡된 부분 또는 만곡된 부분들을 배열함으로써, 전체 셀 어레이(101)의 강도 및 구조적 안정성이 향상될 수 있다.
본 개시내용에서, 제1 보강 판들(104) 및 셀 어레이(101) 내의 셀들(102)은 벌집형 구조를 구성하고, 제1 보강 판들(104) 및 셀 어레이(101) 내의 셀들(102)은 협력하여 변형된다. 제1 보강 판(104)의 변형이 동시에 셀(102)의 변형을 유발하며, 이는 셀(102)의 제1 표면에 추가적인 굽힘 모멘트를 제공하는 것에 상당하여, 벌집형 구조의 강도를 감소시킨다. 제1 보강 판(104)의 두께가 증가함에 따라, 벌집형 구조의 강도가 증가한다. 그러나, 제1 보강 판(104)의 두께를 증가시킴으로써 벌집형 구조체의 강도를 증가시키는 것은 최대값을 초과할 수 없다. 이는, 제1 보강 판(104)의 두께의 증가가 제1 보강 판(104)의 굽힘 강성의 증가를 초래하고, 제1 보강 판(104)의 두께가 특정 정도까지 증가할 때, 벌집형 구조의 강도는 셀 어레이(101)의 강도에 의존하기 때문이다. 결과적으로, 제1 보강 판(104)의 불안정성 및 붕괴로 인해 궁극적인 지탱 용량(bearing capacity)에 도달하면, 전체 벌집형 구조는 그 지탱 용량을 상실한다. 다수의 실험을 통해, 제1 보강 판(104)의 두께가 0.5-5 mm일 때, 이 두께 범위 내에 있는 제1 보강 판(104)이 배터리 팩(100)의 강도 요건들을 충족하기 위해 벌집형 구조에 대한 최적의 보강 효과를 제공할 수 있다는 것을 발견하였다. 일부 구현예들에서, 제1 보강 판(104)의 두께는 1-3 mm이다.
본 개시내용에서, 제1 보강 판들(104)은 금속 재료로 이루어진다.
금속 재료로 이루어진 제1 보강 판들(104)은 배터리 팩 내측의 셀들(102)을 보호할 뿐만 아니라, 열 소산 효과를 제공한다. 제1 보강 판들(104)은 알루미늄, 구리, 및 이들의 합금들을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 높은 열 전도율을 갖는 금속 재료로 이루어질 수 있다.
실제로, 제1 보강 판들(104)은 양호한 열전도성 및 낮은 밀도를 가지는 알루미늄 합금 재료로 이루어질 수 있다.
도 1, 도 6, 및 도 14에 도시된 바와 같이, 셀(102)의 길이 방향은 Y 방향으로 규정되고, 그 높이 방향은 Z 방향으로 규정되며, 두께 방향은 X 방향으로 규정된다.
셀(102)은 실질적으로 직육면체 구조를 갖는다. 구체적으로, 셀(102)은 직육면체 또는 입방체일 수 있거나, 또는 부분적으로 특수-형상일 수 있지만 기본적으로는 직육면체 또는 입방체일 수 있거나, 또는 대체로 노치, 범프, 챔퍼, 아크 부분, 또는 만곡된 부분을 갖는 직육면체 또는 입방체 형상일 수 있다.
일부 구현예들에서, 셀(102)은 600 mm≤L≤2500 mm, 및 10≤L/D≤208을 충족시킨다.
셀(102)은 긴 길이 및 작은 두께를 가지므로, 셀(102)은 케이싱에서 보강 빔으로서 양호하게 기능하고 케이싱에서 보강 리브들의 사용을 감소시키는, 큰 강도를 갖는 강성 부재로서 간주될 수 있고, 이러한 방식으로, 배터리 팩(100)의 중량이 감소될 수 있을 뿐만 아니라, 케이싱의 구조가 크게 단순화될 수 있어, 배터리 팩(100) 내측의 공간의 활용 및 배터리 팩(100)의 에너지 밀도를 개선시킨다.
일부 실시예들에서, 셀(102)의 높이 방향(즉, Z 방향)으로, 셀 어레이(101)의 다수의 층이 배열된다. 분할 판이 셀 어레이들(101)의 2개의 이웃하는 층들 사이에 배열되고, 분할 판은 분할 판의 2개의 측면 상에서 셀 어레이들(101)에 고정 접착된다.
이 구현예에서, 셀 어레이(101)의 2개의 층 사이의 분할 판의 배열로, 셀 어레이(101)의 각각의 층 및 셀 어레이(101)의 상부 및 하부 표면 상의 분할 판 또는 패널은 다수의 I-빔 구조를 형성하여 벌집형 구조를 형성한다. 따라서, 배터리 팩(100)의 강성 및 강도가 크게 향상되고, 이에 의해 기계적 안전성 및 신뢰성이 향상된다.
일부 구현예들에서, 도 13에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(100)의 전체 강도를 더 향상시키기 위해, 제2 보강 판(108)이 적어도 2개의 이웃하는 셀들(102) 사이에 배열된다. 제2 보강 판(108)의 배열은 셀 어레이(101)가 받는 충격을 3차원 방향으로 양호하게 흡수할 수 있고, 이에 의해서 전체 셀 어레이(101)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
본 개시내용에서, 제2 보강 판(108)은 알루미늄 또는 강철 판일 수 있다. 제2 보강 판들(108)의 수는 제한되지 않으며, 하나 이상일 수 있다. 제2 보강 판들(108)의 개수가 하나보다 많을 때, 제2 보강 판(108)은 모든 2개의 이웃하는 셀들(102) 사이에 배열될 수 있거나, 제2 보강 판(108)은 이웃하는 셀들(102) 중 일부 사이에만 배열될 수 있다.
전체 배터리 팩(100) 내의 셀들(102)의 조밀한 배열을 용이하게 하기 위해, 일부 구현예들에서, 제2 보강 판(108)은 셀(102)의 형상과 실질적으로 유사한 형상일 수 있으며, 즉, "더미 셀(dummy cell)"로 제조될 수 있다. 용어 "더미 셀"은, 외관 상 더미 셀이 셀(102)과 정확히 동일하게 보이지만, 더미 셀이 양극, 음극, 및 분리기를 포함하는 전극 조립체를 포함하지 않고, 보강 기능만을 제공한다는 것을 의미한다.
제2 보강 판(108)은 제2 보강 판(108)의 2개의 측면에 배열된 셀들(102)에 고정 접착되어, 전체 배터리 팩(100)의 강도를 향상시킨다.
일부 구현예들에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(100)은 상부 커버(105) 및 트레이(103)를 더 포함한다. 트레이(103)는 저부 판(1035) 및 저부 판(1035)을 둘러싸는 측면 프레임을 포함한다. 상부 커버(105) 및 트레이(103)는 셀 수용 챔버를 형성하도록 연결되고, 셀 어레이(101)는 셀 수용 챔버에 배열된다.
일부 구현예들에서, 2개의 제1 보강 판(104)은 각각 상부 커버(105) 및 저부 판(1035)을 구성한다.
즉, 셀 어레이(101)의 2개의 표면이 상부 커버(105) 및 저부 판(1035)에 각각 접착된다.
이 구현예에서, 상부 커버(105)와 대면하는 셀 어레이(101)의 표면은 상부 커버(105)에 접착되고, 저부 판(1035)과 대면하는 셀 어레이(101)의 표면은 저부 판(1035)에 접착된다. 이러한 방식으로, 셀 어레이(101)의 2개의 대향 표면은 양자 모두 배터리 팩(100)의 케이싱에 접착되고, 셀들(102)은 서로 접착되며, 이는 배터리 팩(100)의 무결성을 개선하고, 패스너들과 셀들 사이의 갭들, 셀들 사이의 갭들, 및 패스너들 사이의 갭들을 감소시킨다. 따라서, 배터리 팩(100) 내의 취약 지점들이 감소되고, 이에 의해 전체 배터리 팩(100)의 강도 및 강성이 개선된다.
일부 구현예들에서, 제1 보강 판들(104) 중 하나는 상부 커버(105)의 내부 표면에 접착되고(이 도면에 도시되지 않음), 다른 제1 보강 판(104)은 (도 11에 도시된 바와 같이) 저부 판(1035)의 내부 표면에 접착된다. 이러한 방식으로, 셀 어레이(101)는 배터리 팩(100)의 케이싱에 간접적으로 접착되고, 이는 조립 및 처리를 용이하게 한다.
일부 구현예들에서, 상부 커버(105) 및/또는 트레이(103)는 다층 복합재 구조일 수 있어서, 배터리 팩(100)이 전체 차량에 대한 충격을 양호하게 지탱할 수 있게 하고, 그에 따라 구조적 강도를 개선한다.
이 구현예에서, 배터리 팩(100)의 저부 판(1035)은 전체 배터리 모듈의 구조적 강도를 지탱할 수 있는 샌드위치 복합재 재료 구조(sandwich composite material structure)로서 설계될 수 있다. 저부 판(1035)은 복합재 보드 구조체로서 설계되고, 배터리의 저부에 대한 스톤칩(stone-chip) 저항 기능 및 지지 강도 기능을 통합한다. 저부 판(1035)은 또한 배터리의 저부에 대한 지지 강도 기능 및 액체 냉각 기능을 통합할 수 있다.
예를 들어, 일부 구현예들에서, 다층 복합재 구조는 알루미늄 판의 2개의 층 및 알루미늄 판의 2개의 층 사이에 개재된 강철 판 또는 발포 알루미늄 판을 포함하는데, 즉 다층 복합재 구조는 알루미늄 판/발포 알루미늄 판/알루미늄 판이거나, 다층 복합재 구조는 알루미늄 판/강철 판/알루미늄 판이다.
일부 다른 구현예에서, 다층 복합재 구조는 2개의 섬유 복합재 층 및 2개의 섬유 복합재 층 사이에 개재된 발포 재료 층을 포함한다.
발포 재료 층은 발포 중합체 재료, 예를 들어 폴리우레탄 발포체 또는 페놀 발포체 재료를 포함한다. 발포 재료 층은 낮은 열 전도율을 가지며, 양호한 단열 효과를 제공할 수 있다. 또한, 발포 재료는 낮은 밀도를 가지며, 밀봉 커버가 강철 판 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 경우에 비해 배터리 팩(100)의 중량을 감소시킬 수 있다.
섬유 복합재 층은 유리 섬유 층 및/또는 탄소 섬유 층을 포함한다. 즉, 다층 복합재 층은 유리 섬유 층/발포 재료 층/유리 섬유 층, 탄소 섬유 층/발포 재료 층/탄소 섬유 층, 또는 유리 섬유 층/발포 재료 층/탄소 섬유 층일 수 있다. 배터리 팩(100)의 상부 커버(105) 및/또는 트레이(103)를 발포 재료 층 및 발포 재료 층의 내부 및 외부 측에 분포된 섬유 복합재 층들로서 설계함으로써, 섬유 층들은 높은 인장 강도 및 탄성 계수를 갖고, 배터리 팩(100)의 내부 압력이 특정 범위 내에서 증가할 때 변형 저항성이고, 화재 및 열을 효과적으로 절연할 수도 있어서, 극단적인 조건들 하에서의 배터리 팩(100)의 안전 성능을 개선한다.
일체형 배터리 팩(100)의 구조적 강도는 차량의 구조적 강도의 일부를 제공할 수 있다. 배터리 팩(100)은 차량의 구조적 강도를 향상시키기 위해 사용될 수 있고, 그러한 설계로 인해 배터리 팩(100)의 구조적 강도를 보호하기 위해 차량의 프레임을 위해 설계된 구조가 단순화될 수 있고, 차량의 경량 설계를 위한 요건들이 충족될 수 있어서, 제조 비용이 감소되고 차량 생산의 효율이 개선된다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 도 12에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 2개의 제1 보강 판(104)이 상부 커버(105) 및 저부 판(1035)을 각각 구성하는 구현예에서, 트레이(103)의 저부 판(1035)은 단일층 알루미늄 판이고, 보호 판(111)은 트레이(103)의 저부 판(1035)의 외부 표면 상에 배열되고, 보호 판(111)은 다층 복합재 구조이다. 보호 판(111)은 파워 배터리 팩(100)이 스톤칩들 또는 범핑(bumping)에 의해 직접적으로 손상되는 것을 방지하기 위해 파워 배터리 팩(100)의 저부를 효과적으로 보호할 수 있고, 경량 설계에 의해 저부에 대한 볼 충격(ball impact) 요건들을 충족하고, 양호한 안전성 및 신뢰성을 갖는다. 또한, 저부의 보호 판(111)의 복합재 재료는 내부식성 및 내노화성과 같은 환경 신뢰성을 갖는다. 강한 보호를 갖는 탈착 가능한 콤팩트한 구조로 저부 판(1035)을 설계하면 미래에 판매후 유지보수를 용이하게 하고, 판매후 유지보수 비용을 크게 감소시킨다.
보호 판(111)의 다층 복합재 구조에 대해서는, 상기 설명을 참조할 수 있으므로, 세부 사항은 여기서 반복되지 않을 것이다.
리벳 연결, 자동 펀치 리벳 연결, 볼트 연결 등을 포함하는 다양한 연결 및 고정 방법들이 배터리 팩(100)의 트레이(103)의 측면 프레임 및 보호 판(111)을 위해 설계될 수 있으며, 이는 자유롭게 조립 해제될 수 있고 수리, 유지보수 및 검사를 용이하게 한다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상부 커버(105)는 측면 프레임에 대응하는 위치에 밀봉 홈을 구비하고, 밀봉재 층은 밀봉 홈 내에 배열되고, 상부 커버(105) 및 트레이(103)는 밀봉재 층에 의해 밀폐 연결된다.
일부 구현예에서, 밀봉 홈은 상부 커버(105) 상에만 또는 측면 프레임 상에만 제공될 수 있거나, 상부 커버(105) 및 측면 프레임은 각각 밀봉 홈을 구비한다.
일부 구현예에서, 상부 커버(105)는 또한 리벳 연결 또는 볼트들에 의해 측면 프레임에 밀폐 고정되어, 전체 배터리 팩(100)의 밀봉 성능 및 구조적 강도를 향상시킬 수 있다.
배터리의 측면 프레임과 상부 커버(105) 사이의 밀봉 끼워맞춤을 위한 위치에서, 밀봉 홈이 밀봉을 위해 설계된다. 밀봉 홈은 배터리의 측면 프레임 상에 또는 상부 커버(105) 상에 설계될 수 있어, 측면 프레임과 상부 커버(105) 사이의 밀봉 및 고정을 보장할 수 있다.
셀 어레이(101)와 측면 프레임의 내부 표면 사이에 구조적 접착제가 채워진다. 셀 어레이(101)와 측면 프레임 사이의 갭이 종종 취약 지점이 되고, 셀(102)을 측면 프레임에 접착시키기 위해 구조적 접착제를 주입함으로써, 강도가 향상된다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 셀들(102) 각각은 실질적으로 길이 방향을 따라 서로 대향 배열된 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 직육면체 구조를 갖는다. 측면 프레임은 셀들(102) 각각의 길이 방향을 따라 서로 대향하여 배열된 제1 측면 프레임(1031) 및 제2 측면 프레임(1032)을 포함한다. 셀들(102)은 제1 측면 프레임(1031)과 제2 측면 프레임(1032) 사이에 배치된다. 셀들(102) 각각의 제1 단부는 제1 측면 프레임(1031)에 의해 지지되고, 셀들(102) 각각의 제2 단부는 제2 측면 프레임(1032)에 의해 지지된다. 즉, 셀들(102)은 제1 측면 프레임(1031)과 제2 측면 프레임(1032) 사이에서 연장된다.
셀들(102)이 제1 측면 프레임(1031)과 제2 측면 프레임(1032) 사이에서 연장되고 셀(102)의 2개의 단부가 각각 제1 측면 프레임(1031) 및 제2 측면 프레임(1032)에 의해 지지되기 때문에, 셀(102) 자체가 케이싱의 구조적 강도를 향상시키기 위해 횡방향 빔 또는 종방향 빔의 역할을 할 수 있다. 즉, 구조적 강도를 향상시키기 위한 어떠한 보강 구조도 케이싱 내에 배열될 필요가 없으며, 즉 셀(102) 자체가 케이싱의 구조적 강도를 보장하기 위해 보강 구조를 대체하는 데 직접적으로 사용될 수 있고, 이에 의해 케이싱이 외력을 받을 때 쉽게 변형되지 않는 것을 보장한다.
본 개시내용의 일부 실시예들에서, 제1 지지 단차부(1034)가 제1 측면 프레임(1031) 상에 배열되고, 제2 지지 단차부가 제2 측면 프레임(1032) 상에 배열되고, 셀들(102) 각각의 제1 단부는 제1 지지 단차부(1034)에 의해 지지되고, 셀들(102) 각각의 제2 단부는 제2 지지 단차부에 의해 지지된다.
본 개시내용의 일부 실시예들에서, 셀들(102) 각각의 제1 단부는 제1 측면 프레임(1031)에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 지지될 수 있고, 셀들(102) 각각의 제2 단부는 제2 측면 프레임(1032)에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 지지될 수 있다. 용어 "직접적"은, 셀(102)의 제1 단부가 제1 측면 프레임(1031)과 직접 접촉 끼워맞춤되고 그에 의해 지지되고, 셀들(102) 각각의 제2 단부가 제2 측면 프레임(1032)과 직접 접촉 끼워맞춤되고 그에 의해 지지되는 것을 의미한다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(100)은 지지 구조체를 더 포함한다. 셀들(102) 각각의 제1 단부는 지지 구조체를 통해 제1 측면 프레임(1031)에 끼워맞춤되고 그에 의해 지지되며, 셀(102)의 제2 단부는 지지 구조체를 통해 제2 측면 프레임(1032)에 끼워맞춤되고 그에 의해 지지된다.
이 구현예에서, 용어 "끼워맞춤"은 2개의 측면 프레임 사이의 간격이 하나의 셀(102)을 장착하기 위해 구성된다는 것을 의미한다. 끼워맞춤은, 헐거운 끼워맞춤(clearance fit), 억지 끼워맞춤(interference fit), 밀착 끼워맞춤(tight fit), 고정 끼워맞춤(immovable fit) 등과 같은 다양한 끼워맞춤 방법일 수 있으며, 그에 따라 본 개시내용의 목적을 달성한다.
길이 방향으로의 셀(102)의 2개의 단부와 측면 프레임 사이의 지지 구조체의 배열은 셀 어레이(101)의 강도 및 배터리 프레임의 강도를 향상시킬 수 있다.
지지 구조체의 배열로, 측면 프레임이 외력을 받을 때, 셀(102) 자체가 큰 강도를 갖는 강성 부재이고, 지지 구조체를 통해 측면 프레임에 힘을 전달할 수 있어서, 측면 프레임의 소성 변형을 방지할 수 있다.
일부 구현예들에서, 도 6, 도 7, 및 도 15에 도시된 바와 같이, 지지 구조체는 제1 지지 블록(106)을 포함하고, 셀들(102) 각각의 제1 단부의 하부 표면은 제1 지지 블록(106)을 통해 제1 측면 프레임(1031)에 의해 지지되고 및/또는, 셀(102)의 제2 단부의 하부 표면은 제1 지지 블록(106)을 통해 제2 측면 프레임(1032)에 의해 지지된다.
제1 지지 블록(106)은 길이 방향으로 셀들(102)의 단부들의 하부 표면들 상에 고정 장착되고, 이는 한편으로는 셀들이 셀 어레이(101)를 형성하도록 배열될 때 셀들(102)의 위치설정을 용이하게 하고, 다른 한편으로는 트레이(103)의 저부 판(1035)으로부터 셀들(102)을 절연 및 격리시킨다. 또한, 측면 프레임은 제1 지지 블록(106)에 의해 셀(102)의 하부 단부 표면에 연결될 수 있고, 이에 의해 전체 배터리 팩(100)의 강도 및 강성을 향상시킨다.
제1 지지 블록(106)을 통해, 셀들(102) 각각의 제1 단부의 하부 표면은 제1 측면 프레임(1031)에 의해 지지될 수 있거나, 제1 측면 프레임(1031) 상의 지지 단차에 의해 지지될 수 있다. 제1 지지 블록(106)을 통해, 셀(102)의 제2 단부의 하부 표면은 제1 지지 블록(106)을 통해 제2 측면 프레임(1032)에 의해 지지될 수 있거나, 제2 측면 프레임(1032) 상에서 지지 단차에 의해 지지될 수 있다.
본 개시내용의 일부 구현예들에서, 지지 구조체는 제2 지지 블록(107)을 포함하고, 제1 측면 프레임(1031)과 대면하는 셀들(102) 각각의 제1 단부는 제2 지지 블록(107)을 통해 제1 측면 프레임(1031)에 끼워맞춤되고, 및/또는 제2 측면 프레임(1032)과 대면하는 셀들(102) 각각의 제2 단부는 제2 지지 블록(107)을 통해 제2 측면 프레임(1032)에 끼워맞춤된다.
셀들(102) 각각은 전극 단자들을 포함한다. 전극 단자들은 셀들(102) 각각의 제1 단부 및 제2 단부에 각각 배열된다. 지지 구조체 상에 홀(1071)이 제공된다. 셀들(102) 각각의 전극 단자들은 각각 홀들(1071)을 통해 연장되고 셀 커넥터(110)에 의해 전기적으로 연결된다.
본 개시내용의 제1 구현예에서, 도 10 및 도 14에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(100)은 절연 분할 판(109)을 더 포함하고, 절연 분할 판(109)은 지지 구조체와 측면 프레임의 내부 표면 사이에 배열된다. 절연 분할 판은 셀 커넥터(110) 및 전극 단자들을 측면 프레임으로부터 절연하도록 구성되어, 단락 및 다른 안전 문제들을 방지한다.
도 7 및 도 15에 도시된 바와 같이, 제2 지지 구조체가 전극 단자들의 측 표면 상에 장착되어, 셀들(102) 각각의 셀 커넥터(110) 및 FPC(flexible printed circuit board)를 고정한다.
셀들(102) 각각의 전극 단자들 또한 취약 지점들이며, 제2 지지 블록(107)은 전극 단자들을 보호할 수 있다.
본 개시내용에서, 지지 구조체의 특정 구조는, 지지 구조체가 특정 강도를 갖고 외력을 받을 때 변형에 저항하는 한, 제한되지 않는다. 일부 구현예들에서, 지지 구조체의 재료는 폴리에테르 플라스틱(PPS), 유리 섬유, 또는 폴리카보네이트 중 하나 이상을 포함한다.
본 개시내용의 일부 실시예들에서, 측면 프레임은 셀들(102)의 배열 방향을 따라 서로 대향하여 배열된 제3 측면 프레임(1033) 및 제4 측면 프레임을 포함한다. 다수의 셀(102)이 제3 측면 프레임(1033)과 제4 측면 프레임 사이에 나란히 배열된다. 제3 측면 프레임(1033) 및 제4 측면 프레임은 그에 인접한 셀들(102) 각각에 각각 고정 접착된다.
제3 측면 프레임(1033) 및 제4 측면 프레임의 이러한 배열은 셀 어레이(101) 및 측면 프레임이 단일체를 형성하게 하고, 배터리의 측면 프레임은 셀들(102)의 배열 방향을 따라 셀 어레이(101)를 밀착 클램핑한다.
즉, 제3 측면 프레임(1033)은 제3 측면 프레임(1033)에 인접하게 배열된 셀(102)에 제4 측면 프레임을 향하는 작용력을 인가하고, 제4 측면 프레임은 제4 측면 프레임에 인접하게 배열된 셀(102)에 제3 측면 프레임(1033)을 향하는 작용력을 인가하여, 다수의 셀(102)이 제3 측면 프레임(1033)과 제4 측면 프레임 사이에 밀접하게 배열될 수 있고, 다수의 셀(102)이 서로 밀접하게 끼워맞춤될 수 있게 한다. 또한, 제3 측면 프레임(1033) 및 제4 측면 프레임은 셀들(102)에 대한 제한 기능을 제공할 수 있고, 특히 셀(102)이 약간의 확장을 겪을 때, 셀(102)에 대한 버퍼링 기능 및 내향 압력을 제공할 수 있어, 셀(102)이 과도하게 확장 및 변형되는 것을 방지한다.
셀 어레이(101)의 확장 문제를 추가로 해결하기 위해, 보강 빔이 제3 측면 프레임(1033) 및/또는 제4 측면 프레임 상에 배열된다. 셀 어레이(101)의 확장에 대한 제한 기능을 제공하기 위해, 보강 빔은 그에 인접한 셀들 각각의 외부 표면과 밀접하게 접촉할 수 있거나, 그에 인접한 셀들 각각으로부터 갭을 갖도록 이격될 수 있다.
트레이(103)의 측면 프레임 및 저부 판(1035)은 구조적 접착제에 의해 서로 접착될 수 있거나, 함께 직접적으로 용접될 수 있거나, 볼트들에 의해 연결될 수 있다. 측면 프레임은 일체형 프레임 또는 스플릿-타입 프레임일 수 있다. 본 개시내용의 일부 실시예들에서, 측면 프레임은 스플릿-타입 프레임이며, 즉 제1 측면 프레임(1031), 제2 측면 프레임(1032), 제3 측면 프레임(1033), 및 제4 측면 프레임은 서로 분리된다. 2개의 측면 프레임들 사이의 연결은 패스너에 의해 더욱 보강될 수 있다.
셀들(102) 각각이 직육면체 셀이고, 셀들(102) 각각의 전극 단자들이 길이 방향을 따라 셀(102)의 2개의 단부 상에 배열되고, 제1 측면 프레임(1031), 제2 측면 프레임(1032), 제3 측면 프레임(1033), 및 제4 측면 프레임이 서로 분리되고, 2개의 제1 보강 판(104)이 각각 배터리 팩의 상부 커버(105) 및 저부 판(1035)을 구성하는 예를 이용하여, 배터리 팩(100)의 조립 프로세스가 아래에서 설명된다.
단계 1: 다수의 셀(102)이 셀 어레이를 형성하기 위해 두께 방향을 따라 배열되고, 셀들(102)은 높이 방향 및 길이 방향으로 서로 정렬된다. 셀들(102)은 구조적 접착제(1011)에 의해 서로 접착된다. 셀들(102)의 배열 방향은 X 방향으로서 규정된다. 셀(102)의 길이 방향은 Y 방향으로서 규정된다.
단계 2: X 방향을 따라, 셀 어레이(101) 내의 2개의 최외측 셀들(102)의 가장 큰 면적을 갖는 2개의 대향하는 제1 표면은 제3 측면 프레임(1033) 및 제4 측면 프레임에 각각 접착된다(여기서, 이 방향은 전극 단자의 리드-아웃 방향이 아니다).
단계 3: Y 방향을 따라, 제1 측면 프레임(1031) 및 제2 측면 프레임(1032)은 셀 어레이(101)의 2개의 단부면 상에 배열된다.
단계 4: 제1 측면 프레임(1031) 및 제2 측면 프레임(1032)은 용접 또는 패스너(볼트 등)에 의해 제3 측면 프레임(1033) 및 제4 측면 프레임에 연결된다.
단계 4: 2개의 제1 보강 판(104)은 셀들(102)의 배열 방향을 따라 셀 어레이(101)의 2개의 대향 표면에 접착된다.
단계 5: 제1 보강 판들(104)은 구조적 접착제 또는 패스너들에 의해 제1 측면 프레임(1031), 제2 측면 프레임(1032), 제3 측면 프레임(1033), 및 제4 측면 프레임에 연결된다. 제1 보강 판들(104) 중 하나는 배터리 팩(100)의 상부 커버(105)이다. 다른 제1 보강 판(104)은 배터리 팩(100)의 저부 판(1035)이다.
단계 6: 또한, 보호 판(111)은 저부 판(1035)의 외부 표면에 추가로 배열된다.
단계 7: 셀 어레이(101)와 측면 프레임 사이의 갭에 구조적 접착제가 채워지거나 지지 구조체가 배열된다.
상기 조립 프로세스로부터 알 수 있는 바와 같이, 셀(102)의 6개의 표면은 모두 강한 구조적 강도를 갖고, 일체형 구조로서의 배터리 팩(100)의 설계는 강성 및 강도를 크게 향상시켜, 기계적 안전성 및 신뢰성을 크게 향상시킨다. 일체형 배터리 팩(100)의 구조적 강도는 차량의 구조적 강도의 일부를 제공할 수 있다. 배터리 팩(100)은 차량의 구조적 강도를 향상시키기 위해 사용될 수 있고, 그러한 설계로 인해 배터리 팩(100)의 구조적 강도를 보호하기 위해 차량의 프레임을 위해 설계된 구조가 단순화될 수 있고, 차량의 경량 설계를 위한 요건들이 충족될 수 있어서, 제조 비용이 감소되고 차량 생산의 효율이 개선된다.
본 개시내용에서, 배터리 팩(100)은 배터리 관리 시스템을 더 포함한다.
본 개시내용의 제2 양태에 따르면, 상기 배터리 팩(100)을 포함하는 전기 차량이 제공된다. 전기 차량은 긴 배터리 수명을 갖고 낮은 비용을 요구한다.
본 개시내용의 설명에서, 달리 명시적으로 지정되거나 규정되지 않는 한, "장착하다", "설치하다", "연결하다", 및 "연결"과 같은 용어들은 넓은 의미로 이해되어야 한다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 연결은 고정 연결, 탈착 가능 연결, 또는 일체형 연결일 수 있거나; 연결은 기계적 연결 또는 전기적 연결일 수 있거나; 연결은 직접 연결, 중개를 통한 간접 연결, 또는 2개의 컴포넌트 사이의 내부 소통일 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자라면 특정 상황들에 따라 본 개시내용에서의 전술한 용어들의 특정 의미들을 이해할 수 있다.
본 명세서의 설명에서, "실시예", "특정 실시예들", 또는 "예"와 같은 참조 용어들의 설명은 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예 또는 예에서 실시예 또는 예에 설명된 특정한 특징들, 구조들, 재료들, 또는 특징들을 포함하는 것을 의미한다. 본 명세서에서, 전술한 용어들의 개략적인 설명들은 반드시 동일한 실시예 또는 예를 가리키는 것은 아니다. 또한, 설명된 특정 특징들, 구조들, 재료들, 또는 특성들은 실시예들 또는 예들 중 임의의 하나 이상에서 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
본 개시내용의 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 다양한 변화들, 수정들, 대체들, 및 변형들이 본 개시내용의 원리들 및 사상에서 벗어나지 않고서 실시예들에 대해 이루어질 수 있고, 본 개시내용의 범위는 첨부된 청구범위 및 그 등가물들에 의해 규정된 것과 같다는 것을 이해해야 한다.

Claims (24)

  1. 배터리 팩으로서,
    셀 어레이-상기 셀 어레이는 복수의 셀들을 포함하고, 상기 셀들 각각은 길이(L), 두께(D), 및 상기 길이(L)와 상기 두께(D) 사이의 높이(H)로 규정되고, 상기 복수의 셀은 두께 방향을 따라 배열되고, 상기 셀들은 구조적 접착제에 의해 서로 접착됨-; 및
    2개의 제1 보강 판-상기 2개의 제1 보강 판은 서로 대향하여 배열되고, 상기 셀들의 배열 방향을 따라 상기 셀 어레이의 2개의 표면에 각각 접착되며, 상기 셀들 사이의 상대적 위치들을 제약하도록 구성됨-을 포함하는, 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2개의 제1 보강 판은 높이 방향을 따라 상기 셀들의 2개의 대향 표면에 각각 접착되는, 배터리 팩.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 셀들 중 적어도 하나는 600 mm≤L≤2500 mm, 및 10≤L/D≤208을 충족하는, 배터리 팩.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리 팩은 상기 셀들의 높이 방향을 따라 배열된 셀 어레이들의 복수의 층을 포함하고, 분할 판이 셀 어레이들의 2개의 이웃하는 층 사이에 배열되고, 상기 분할 판은 상기 분할 판의 2개의 측면에서 상기 셀 어레이들에 고정 접착되는, 배터리 팩.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 보강 판이 적어도 2개의 이웃하는 셀들 사이에 배열되고; 상기 제2 보강 판은 상기 제2 보강 판의 2개의 측면에 배열된 상기 셀들에 고정 접착되는, 배터리 팩.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리 팩은 상부 커버 및 트레이를 더 포함하고, 상기 트레이는 저부 판 및 상기 저부 판을 둘러싸는 측면 프레임을 포함하고, 상기 상부 커버 및 상기 트레이는 셀 수용 챔버를 형성하도록 연결되고, 상기 셀 어레이는 상기 셀 수용 챔버에 배열되는, 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서, 상기 2개의 제1 보강 판은 각각 상기 상부 커버 및 상기 저부 판을 구성하는, 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서, 상기 배터리 팩은 보호 판을 더 포함하고, 상기 보호 판은 상기 저부 판의 외부 표면 상에 배열되는, 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서, 상기 보호 판은 알루미늄 판들의 2개의 층, 및 상기 알루미늄 판들의 2개의 층 사이에 개재된 강철 판 또는 발포 알루미늄 판을 포함하거나; 또는
    상기 보호 판은 2개의 섬유 복합재 층, 및 상기 2개의 섬유 복합재 층 사이에 개재된 발포 중합체 층을 포함하고, 상기 섬유 복합재 층은 유리 섬유 층 또는 탄소 섬유 층을 포함하는, 배터리 팩.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 제1 보강 판의 외부 표면들이 상기 상부 커버의 내부 표면 및 상기 저부 판의 내부 표면에 각각 접착되는, 배터리 팩.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저부 판 또는 상기 상부 커버 중 적어도 하나는 알루미늄 판들의 2개의 층, 및 상기 알루미늄 판들의 2개의 층 사이에 개재된 강철 판 또는 발포 알루미늄 판을 포함하거나; 또는
    상기 저부 판 및 상기 상부 커버 중 적어도 하나는 2개의 섬유 복합재 층, 및 상기 2개의 섬유 복합재 층 사이에 개재된 발포 중합체 층을 포함하고, 상기 섬유 복합재 층은 유리 섬유 층 또는 탄소 섬유 층을 포함하는, 배터리 팩.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 커버에는 상기 측면 프레임에 대응하는 위치에 밀봉 홈이 제공되고, 상기 밀봉 홈 내에는 밀봉재 층이 배열되고, 상기 상부 커버와 상기 트레이는 상기 밀봉재 층에 의해 밀폐 연결되는, 배터리 팩.
  13. 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀 어레이와 상기 측면 프레임 사이의 갭이 구조적 접착제로 채워지는, 배터리 팩.
  14. 제6항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀들 각각은 길이 방향을 따라 서로 대향하여 배열된 제1 단부 및 제2 단부를 포함하고, 상기 측면 프레임은 상기 셀들 각각의 상기 길이 방향을 따라 서로 대향하여 배열된 제1 측면 프레임 및 제2 측면 프레임을 포함하고, 상기 셀들 각각의 상기 제1 단부는 상기 제1 측면 프레임에 의해 지지되고, 상기 셀들 각각의 상기 제2 단부는 상기 제2 측면 프레임에 의해 지지되는, 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서, 제1 지지 단차가 상기 제1 측면 프레임 상에 배열되고, 제2 지지 단차가 상기 제2 측면 프레임 상에 배열되고, 상기 셀들 각각의 상기 제1 단부는 상기 제1 지지 단차에 의해 지지되고, 상기 셀들 각각의 상기 제2 단부는 상기 제2 지지 단차에 의해 지지되는, 배터리 팩.
  16. 제15항에 있어서, 상기 배터리 팩은 지지 구조체를 더 포함하고, 상기 셀들 각각의 상기 제1 단부는 상기 지지 구조체를 통해 상기 제1 측면 프레임에 끼워맞춤되고 그에 의해 지지되고 및/또는, 상기 셀의 상기 제2 단부는 상기 지지 구조체를 통해 상기 제2 측면 프레임에 끼워맞춤되고 그에 의해 지지되는, 배터리 팩.
  17. 제16항에 있어서, 상기 지지 구조체는 제1 지지 블록을 포함하고, 상기 셀들 각각의 상기 제1 단부의 하부 표면이 상기 제1 지지 블록을 통해 상기 제1 측면 프레임에 의해 지지되고 및/또는 상기 셀들 각각의 상기 제2 단부의 하부 표면이 상기 제1 지지 블록을 통해 상기 제2 측면 프레임에 의해 지지되는, 배터리 팩.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 지지 구조체는 제2 지지 블록을 포함하고, 상기 제1 측면 프레임에 대면하는 상기 셀들 각각의 상기 제1 단부는 상기 제2 지지 블록을 통해 상기 제1 측면 프레임에 끼워맞춤되고 및/또는 상기 제2 측면 프레임에 대면하는 상기 셀들 각각의 상기 제2 단부는 상기 제2 지지 블록을 통해 상기 제2 측면 프레임에 끼워맞춤되는, 배터리 팩.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀들 각각은 전극 단자들을 포함하고, 상기 전극 단자들은 상기 셀들 각각의 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부에 각각 배열되고, 상기 지지 구조체 상에는 홀들이 제공되고, 상기 셀들 각각의 상기 전극 단자들은 상기 홀들을 통해 각각 연장되고 셀 커넥터에 의해 전기적으로 연결되는, 배터리 팩.
  20. 제19항에 있어서, 상기 배터리 팩은 절연 분할 판을 더 포함하고, 상기 절연 분할 판은 상기 지지 구조체와 상기 측면 프레임의 내부 표면 사이에 배열되는, 배터리 팩.
  21. 제6항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리 팩은 상기 셀들의 배열 방향을 따라 서로 대향하여 배열된 제3 측면 프레임 및 제4 측면 프레임을 더 포함하고, 상기 제3 측면 프레임 및 상기 제4 측면 프레임은 그에 인접한 상기 셀들 각각에 각각 고정 접착되는, 배터리 팩.
  22. 제21항에 있어서, 보강 빔이 상기 제3 측면 프레임 및/또는 상기 제4 측면 프레임 상에 배열되고, 상기 보강 빔은 상기 셀 어레이의 확장을 제한하도록 구성되는, 배터리 팩.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 보강 판의 두께가 1-3 mm인, 배터리 팩.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 전기 차량.
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