KR20230110577A - 전기 작동식 자동차 내에 설치하기 위한 전기 에너지 저장 장치용 배터리 셀 - Google Patents

전기 작동식 자동차 내에 설치하기 위한 전기 에너지 저장 장치용 배터리 셀 Download PDF

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바이에리쉐 모토렌 베르케 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 복수의 배터리 셀을 갖는 전기 작동식 자동차 내에 설치하기 위한 전기 에너지 저장 장치용 배터리 셀에 관한 것이다. 이 배터리 셀은 셀 코어 및 하이브리드 셀 하우징으로 이루어진다. 하이브리드 셀 하우징은 외부 하우징 요소와 내부 하우징 요소의 조합으로서 설계되어 있으며, 이 경우에는 (바람직하게는 열적) 결함이 있을 때에 내부 하우징 요소와 함께 셀 코어를 외부 하우징 요소로부터 배출할 수 있는 보호 장치가 제공되어 있다. 특히 바람직하게는, 외부 하우징 요소는 배출 방향에 대해 반대 방향으로 기밀 폐쇄부를 구비하고, 이 기밀 폐쇄부에 의해서는 예를 들어 내부 하우징 요소가 파열되는 경우에 기밀 공동이 생성되며, 이 기밀 공동 내에서는 내부 하우징 요소를 배출 방향으로 배출하기 위해 사용되는 압력이 가스에 의해서 의도한 바대로 생성된다.

Description

전기 작동식 자동차 내에 설치하기 위한 전기 에너지 저장 장치용 배터리 셀
본 발명은, 전기 작동식 자동차(전기차 또는 하이브리드 차량) 내에 설치하기 위한 전기 에너지 저장 장치용 배터리 셀, 특히 예를 들어 온-보드 배터리, 고전압 저장 장치 또는 견인 배터리로서 사용되는 리튬 이온 저장 장치용 배터리 셀에 관한 것이다.
공식 파일 번호 DE 10 2020 126 424를 갖고 이전에 공개되지 않은 동일 출원인의 독일 특허 출원서에는, 차량 하부 면에 대해 수직으로 정렬된 복수의 배터리 셀(개별 저장 셀)을 갖는 하우징 내에 "셀 팩"을 구비하는 (리튬 이온 저장 장치 형태의) 에너지 저장 장치가 기재되어 있다. 배터리 셀은, 아래로부터 유래하는 힘 작용에 대항해서 안정화하기 위해, 힘을 흡수하는 셀의 하우징 연장부로서 작용하는 지지 요소로 이루어진 프레임 워크 내에 통합되어 있다.
이전에 공개되지 않은 동일 출원인의 DE 10 2021 102 017호는, 복수의 배터리 셀을 갖는 전기 작동식 자동차 내에 설치하기 위한 전기 에너지 저장 장치에 관한 것이며, 이 경우 각각의 배터리 셀은 셀 코어 및 하이브리드 셀 하우징으로 이루어지며, 이때 셀 하우징은 전기 절연 재료로 이루어진 내부 셀 벽 형태의 내부 하우징 요소에 의해서 그리고 전기 전도성 및 열 전도성 재료로 이루어진 셀 홀더 형태의 외부 하우징 요소에 의해서 형성되어 있다. 이 경우, 제1 하우징 요소 및 제2 하우징 요소는 기계적 연결에 의해서 공동으로 하나의 하이브리드 셀 하우징(hybrid housing)을 형성한다.
본 발명의 과제는, 온도 이벤트와 관련하여 서두에서 언급된 유형의 에너지 저장 장치용 배터리 셀을 개선하는 것이다.
상기 과제는 특허 청구항 1의 특징부에 의해서 해결된다. 종속 특허 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선예들이다.
본 발명은, 복수의 배터리 셀을 갖는 (특히 전기 작동식 자동차 내에 설치하기 위한) 전기 에너지 저장 장치용 배터리 셀에 관한 것이다. 본 발명에 따른 배터리 셀은 셀 코어 및 하이브리드 셀 하우징으로 이루어진다. 하이브리드 셀 하우징은 외부 하우징 요소와 내부 하우징 요소의 조합으로서 설계되어 있으며, 이 경우에는 (바람직하게는 열적) 결함이 있을 때에 내부 하우징 요소와 함께 셀 코어를 외부 하우징 요소로부터 배출할 수 있는 보호 장치가 제공되어 있다.
특히 바람직하게는, 외부 하우징 요소는 배출 방향에 대해 반대 방향으로 폐쇄부를 구비하고, 이 폐쇄부에 의해서는 기밀 공동이 생성되며, 이 기밀 공동 내에서는 (예를 들어 가스 배출로써 내부 하우징 요소의 파열이 야기되는 이벤트의 경우에 또는 이하에서 더욱 상세하게 정의되는 "미니어처 에어백"을 추가로 사용하는 경우에) 가스의 유입에 의해 내부 하우징 요소를 배출 방향으로 배출하기 위해 사용되는 압력이 의도한 바대로 생성될 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 고려 사항들에 기초한다:
선행 기술
본 발명은, 바람직하게는 이전에 공개되지 않은 동일 출원인의 DE 10 2020 126 424호에 기재된 셀 시스템으로부터 출발한다.
문제점
전기 저장 셀의 경우, 한 가지 결함에 의해서는 불확실한 손상으로부터 출발하여 다량의 에너지가 단시간 동안 방출될 수 있다.
본 발명의 대상
보호 기능을 갖춘 셀 시스템이 제안된다. 이 보호 기능은, 다량의 에너지 방출에 의해 셀 고장이 발생하는 경우에는 그리고 이로부터 결과적으로 나타나는 배터리 셀의 과열의 경우에는 이 셀이 셀 스택 또는 저장 시스템으로부터 배출될 수 있다는 것이다. 무게를 줄이기 위해, 본 발명에 따른 배터리 셀은 바람직하게는 이전에 공개되지 않은 DE 10 2020 126 424호의 대상과 유사하게 (임의의 실시예에서 예를 들어 전극 코일로서 작용하는) 셀 코어 및 하이브리드 셀 하우징(하이브리드 하우징)으로 이루어진다. 하이브리드 셀 하우징은 내부 셀 벽(내부 하우징 요소) 및 열 전도성 금속으로 이루어진 외부 셀 홀더(외부 하우징 요소)로 형성되었다. 이로써, 하이브리드 하우징은 2개의 하우징 요소로 이루어진다. 플라스틱으로 이루어진 내부 하우징 요소는 가볍고 무게 감소를 유도한다. 외부 하우징 요소는 열 전도성 금속으로 이루어지고, 이로써 온도 제어를 위해 적합하다. 2개의 하우징 요소는 기계적 힘에 대한 안정화에도 추가로 기여한다. 그러나 본 발명에 따른 배터리 셀은 또한 다른 유형의 2개의 하우징 요소로 이루어질 수도 있다.
에너지 저장 장치용 전자 제어 장치의 작동 전략은, 적합한 센서 시스템과의 조합에 의해서 방출된 셀의 위치 파악 또는 식별을 저장할 수 있다. 셀 홀더에 의한 전기 에너지 흐름(에너지 공급 또는 에너지 방출)의 제어는 바람직하게는 전자 제어 장치 내에 있는 소프트웨어 프로그램 모듈로서의 메모리 관리에 의해서 이루어진다.
도면 부문에는 본 발명의 일 실시예가 도시되어 있다. 도면 부문에서,
도 1은 열적 결함의 경우에 배출하기 위한 보호 장치를 갖는 본 발명에 따른 배터리 셀의 주요 구성 요소를 도시하며,
도 2는 장애물을 통한(예를 들어 에너지 저장 장치의 바닥을 통한) 배출 프로세스 동안 본 발명에 따른 배터리 셀의 제1 상태를 도시하고,
도 3은 장애물을 통한 배출 프로세스 동안 본 발명에 따른 배터리 셀의 제2 상태를 도시하며, 그리고
도 4는 완전히 배출된 후에 특히 본 발명에 따른 배터리 셀의 외부 하우징 요소의 상태를 도시한다.
도 1은, 하이브리드 하우징을 갖는 배터리 셀(1)(저장 셀)의 개략적인 구조를 보여준다. 실시예는 원형 배터리 셀과 관련이 있다. 그러나 본 발명은 또한 다른 형상의 - 예를 들어 프리즘 형상의 - 배터리 셀에도 적용될 수 있다. 셀(1)은 예를 들어 2개의 전기 전도성 접촉 커버(5 및 6) 그리고 하이브리드 셀 하우징의 내부 하우징 요소(3)로서의 하나의 플라스틱 실린더(예를 들어 PP, PTFE)를 구비한다. 셀(1)의 작동 안정성은, 셀 홀더 형태의 외부 하우징 요소(4)와 내부 하우징 요소(3)의 조합에 의해서 달성된다.
도 1은, 셀 코어(2)의 셀 벽인 내부 하우징 요소(3)가 셀 홀더 형태의 외부 하우징 요소(4) 내에 대략적으로 통합된 상태를 측면도로 보여준다.
이와 같은 하이브리드 셀 구조에서는, 배출의 경우에 마찰을 감소시킬 수 있는 예를 들어 Teflon PTFE와 같은 슬라이딩 층(10)이 바람직하게는 실린더들 사이에 또는 하우징 요소(3과 4) 사이에 제공되어 있다. 본 발명에 따른 복수의 배터리 셀(1)을 갖는 셀 스택 또는 저장 시스템이 본 도면에 전체적으로 도시되어 있지 않지만, 이와 같은 셀 스택 또는 저장 시스템의 가능한 바닥이 도 2 내지 도 4에서 개략적으로 도시된다. 외부 실린더 또는 하우징 요소(4) 내에서 이루어지는 내부 실린더 또는 하우징 요소(3)의 전기적 접촉 및 래칭(latching) 또는 고정은 바람직하게는 주변을 둘러싸는 환상의 전기 전도성 비드(bead)(11)를 이용해서 이루어진다. 복수의 셀이 접촉하여 하나의 직렬 회로로 배열되는 것, 예를 들어 셀의 방향 설정이 "... + - + - ..."와 같이 교대로 이루어지는 것도 마찬가지로 도시되어 있지 않은데, 그 이유는 이와 같은 상황이 공지되어 있지 않기 때문이다. 비-원통형의 셀 형상, 예를 들어 프리즘 형상도 마찬가지로 본 발명에 포함되어 있지만, 본 도면에는 구체적으로 도시되어 있지 않다. 결함의 경우에 배출되는 가스를 상부 공동(9)으로 방향 전환하기 위하여, 배출 방향(A)에 대해 반대 방향(B)을 가리키는 셀(1)의 접촉 커버(6)에는 바람직하게는 설정 파열 지점(7)이 제공되어 있다.
도 4는, 상부 기밀 공동(9) 내에 있는 스프링 장치(13)를 설명하고 있다. 스프링 장치(13)는, 결함이 있는 경우에 자체 압력 응력으로써 내부 하우징 요소(3)의 배출을 지원할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 구름은 결함이 있는 경우에 공동(9)으로의 가스 배출을 나타낸다.
도 1은 결함의 경우에 가스 압력의 생성을 개략적으로 도시하며, 그리고 도 2 내지 도 4는 셀 배출 또는 셀 코어 배출의 경우에 가스 압력의 생성의 결과로 나타나는 내부 하우징 요소(3)의 움직임을 개략적으로 도시한다. 보다 정확하게 말하자면, "셀 배출"은 셀 코어(2)가 통합되어 있는 내부 하우징 요소(3)의 배출이다.
도 2 내지 도 4는, 수직의 저장/셀 구조를 가정한 상태에서, 내부 하우징 요소(3)를 관통하는 저장 어레인지먼트의 바닥(14)의 관통 상태를 보여준다.
도 1 및 도 2는, 본 발명의 바람직한 일 개선예에서, 내부 하우징 요소(3)를 관통하는 바닥(14)의 관통 프로세스를 지원하기 위해 내부 하우징 요소(3) 상에 있는 환상 절단 장치(12)를 보여준다.
도 2는, 저장 시스템의 바닥(14)에 있는 설정 파열 지점을 일점쇄선으로 도시한다. 이 설정 파열 지점도 마찬가지로 바닥(14)의 관통 프로세스를 지원한다.
도 3은 또 다른 바람직한 일 실시예를 보여준다. 이 경우에는, 예를 들어 건설 분야에 적용하기 위한 스프레이 캔(spray can)의 기능에 필적할 만한 팽윤성 재료, 예컨대 PU-폼(foam)을 갖는 저장 장치가 바닥(14)에 제공되어 있거나, 유출되는 슬라이딩 재료(10)가 팽윤성 재료 및/또는 접착 재료로서 형성되어 있다. 결함의 경우에는, 배출에 의해 팽윤이 시작됨으로써, 결과적으로 예를 들어 배출 과정 후에 이물질(예를 들어 물)의 유입을 방지하기 위하여, 배출 후에는 바닥(14)이 다시 폐쇄된다. 이와 같은 방식에 의해서 달성된 폐쇄부를 도 4가 도시한다.
도 4도 마찬가지로 저장 시스템의 비상 동작 특성의 형성을 보여준다. 비상 동작 특성이란, 셀(1)이 배출되는 경우에, 다시 말해 셀(1)이 제거되는 경우에 손상된 셀(1)을 브리징 하거나 전기 브리징 접촉을 형성하는 것을 의미한다.
도 1에 도시된 스프링 장치(13)는 이완된 상태에서 상부 및 하부 환상 비드(11)의 접촉을 생성하고, 이로써 셀 조립체 내부에서 전기 셀 접촉을 생성한다. 따라서, 결함이 있는 경우에 셀의 직렬 접속이 유지되도록 보장된다. 이로써, 저장 어레인지먼트는 하나의 셀 전압만큼 감소된 총 전압으로써 비상 작동을 위한 기능을 유지하게 된다. 이와 같은 상황은 또한 감지 장치(상세하게 도시되지 않음)에 의해 에너지 관리 시스템에 전달될 수 있다. 따라서, 상위 시스템의 작동 전략의 조정이 가능해진다. 상위 시스템은, 추후에 소위 "제2의 삶(second life)" 사용의 경우에 건물의 고정식 에너지 저장 시스템으로서도 사용될 수 있는 차량의 전기 구동 장치 또는 차량의 전기 온-보드 시스템일 수 있다.
에너지 관리 시스템의 전자 제어 유닛은 배출 자체, 셀 배출의 위치 및/또는 배출된 셀(1)의 식별을 인식할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 세부 사항이, 가능한 바람직한 개선예들을 포함하는 도 1 내지 도 4를 참조하여 재차 다른 표현 방식으로 설명된다:
도 1은, 복수의 배터리 셀을 갖는 전기 작동식 자동차 내에 설치하기 위한 전기 에너지 저장 장치용의 본 발명에 따른 배터리 셀(1)을 보여준다. 배터리 셀(1)은 셀 코어(2) 및 하이브리드 셀 하우징으로 이루어지며, 이때 셀 하우징은, 전기 전도성 재료로 이루어진 셀 홀더 형태의 외부 하우징 요소(4)와 전기 절연 재료로 이루어진 내부 셀 벽 형태의 내부 하우징 요소(3)의 조합으로서 형성되어 있다. 특히, 선택적인 설정 파열 지점(7)을 갖는 접촉 커버(6), 외부 하우징 요소(4)의 벽 및 외부 하우징 요소(4)의 기밀 폐쇄부(8)는 하나의 보호 장치를 형성하며, 이 보호 장치에 의해서는 (특히 열적) 결함이 있는 경우에 셀 코어(2)가 내부 하우징 요소(3)와 함께 외부 하우징 요소(4)로부터 배출될 수 있다.
외부 하우징 요소(4)는 배출 방향(A)으로는 개방되어 있지만, 배출 방향(A)에 대해 반대 방향(B)으로는 예를 들어 커버(8)에 의해 기밀 방식으로 폐쇄되어 있다. 셀 코어(2)를 갖는 내부 하우징 요소(3)는, 내부 하우징 요소(3)와 폐쇄부(8) 사이에 기밀 공동(9)이 생성되는 방식으로 외부 하우징 요소(4) 내에 배열되어 있으며, 상기 기밀 공동 내에서는, 내부 하우징 요소(3)의 파열을 야기하는 열적 이벤트의 경우, 배출 방향(A)으로 내부 하우징 요소(3)를 배출하기 위해 사용될 수 있는 압력이 배출 고온 가스에 의해서 생성된다.
설정 파열 지점(7)의 영역에 있는, 추가 가스를 생성하는 유닛("미니어처 에어백", 위 참조요)도 생각할 수 있다. 이 유닛은 예를 들어 에어백 시스템에 필적할 만한 기폭관(squib) 또는 온도 임계값을 초과하는 경우에 (예를 들어 물질의 분해에 의해) 추가 가스를 생성하는 화학 물질일 수 있다. 이와 같은 상황은, 허용할 수 없을 정도로 과도하게 상승된 온도로 인해 셀이 폭발하기 전에 이미 2차 손상을 줄이기 위하여 셀을 예측적으로 배출할 수 있다는 장점을 갖는다.
내부 하우징 요소(3)는, 배출 방향(A)으로는 재료 약화 부분이 없는 제1 접촉 커버(5)를 구비하고, 반대 방향(B)으로는 재료 약화 부분, 여기에서는 설정 파열 지점(7)을 갖는 제2 접촉 커버(6)를 구비한다.
바람직하게는 기밀 공동(9) 내에서는, 전기 전도성 스프링 장치(13)가 배출 후에는 이완된 상태에서 접촉 브리지로서 이용되는 방식으로, 상기 스프링이 압축 응력을 받는다(도 4 및 더 앞에 있는 이에 대한 이전의 상세한 설명 참조요).
내부 하우징 요소(3)와 외부 하우징 요소(4) 사이에는 슬라이딩 재료(10)가 삽입될 수 있으며, 이 슬라이딩 재료는 예를 들어 배출 후에 바닥(14)을 폐쇄하기 위하여 사전 설정된 점도 및 경화 능력을 갖는 팽윤 재료 및/또는 접착 재료로서 동시에 형성되어 있다(도 3 및 도 4 참조요).
내부 하우징 요소(3)에는, 양극(+) 및 음극(-)을 위한 각각 하나의 비드(11)가 외부 하우징 요소(4)와의 고정 방식의 래칭을 위해서뿐만 아니라 전기 접촉 방식의 래칭을 위해서도 제공되어 있다.
배출 프로세스가 장애물 없이 예를 들어 수집 용기 내로 이루어질 수는 없고, 오히려 예를 들어 셀 팩의 바닥(14)을 관통해서 이루어질 수밖에 없다면, 내부 하우징 요소(3)는 배출 방향(A)으로 절단 장치(12)를 구비할 수 있다.
요약해서 말하자면, 이와 같은 어레인지먼트에 의해서는 저장 시스템 및 인접하는 시스템 및 구성 요소 내에서 더 큰 손상이 방지될 수 있으며, 또한 기능성도 조건적으로 유지될 수 있다. 기능성은 예를 들어 자율 주행의 경우에 안전상의 장점을 제공한다.

Claims (8)

  1. 특히 전기 작동식 자동차 내에 설치하기 위한, 복수의 배터리 셀(1)을 갖는 전기 에너지 저장 장치용 배터리 셀(1)로서,
    상기 배터리 셀(1)은 셀 코어(2) 및 하이브리드 셀 하우징으로 이루어지며, 상기 하이브리드 셀 하우징은 외부 하우징 요소(4)와 내부 하우징 요소(3)의 조합으로서 설계되어 있으며, 이 경우에는 결함이 있을 때에 내부 하우징 요소(3)와 함께 셀 코어(2)를 외부 하우징 요소(4)로부터 배출할 수 있는 보호 장치가 제공되어 있는, 배터리 셀(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 외부 하우징 요소(4)는 배출 방향(A)으로는 개방되어 있지만, 반대 방향(B)으로는 폐쇄부(8)를 구비하며, 그리고 상기 셀 코어(2)를 갖는 내부 하우징 요소(3)는, 내부 하우징 요소(3)와 폐쇄부(8) 사이에 기밀 공동(9)이 생성되는 방식으로 외부 하우징 요소(4) 내에 배열되어 있으며, 상기 기밀 공동 내에서는, 내부 하우징 요소(3)를 배출 방향(A)으로 배출하기 위해 사용될 수 있는 압력이 가스의 유입에 의해서 생성될 수 있는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내부 하우징 요소(3)가 배출 방향(A)으로는 재료 약화 부분이 없는 제1 접촉 커버(5)를 구비하고, 반대 방향(B)으로는 재료 약화 부분(7)을 갖는 제2 접촉 커버(6)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기밀 공동(9) 내에서는, 전기 전도성 스프링 장치(13)가 배출 후에는 이완된 상태에서 접촉 브리지로서 이용되는 방식으로, 상기 스프링이 압축 응력을 받는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 하우징 요소(3)와 상기 외부 하우징 요소(4) 사이에는 슬라이딩 재료(10)가 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀(1).
  6. 제5항에 있어서, 상기 슬라이딩 재료(10)는 동시에 팽윤 재료 및/또는 접착 재료로서 형성되어 있고, 배출의 경우에 유출되는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 하우징 요소(3)에는, 각각 하나의 비드(11) 또는 홈이 외부 하우징 요소(4) 및 극 단자(+, -)와의 고정 방식의 래칭을 위해서뿐만 아니라 전기 접촉 방식의 래칭을 위해서도 제공되어 있는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 하우징 요소(3)가 배출 방향(A)으로 절단 장치(12)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 배터리 셀(1).
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