KR20230130093A - 배터리 셀을 유지하기 위한 셀 홀더, 및 셀 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원통형 배터리 셀(2)을 유지하기 위한 셀 홀더(1)에 관한 것으로서, 바람직하게는 전기 또는 하이브리드 차량 또는 연료 전지가 장착된 차량용 트랙션 배터리에 사용되며, 셀 홀더(1)는, 베이스(11)와 측벽들(12)을 각각 구비하고, 각각의 배터리 셀(2)의 바닥면(2a)과 측면(2b)의 적어도 일부분을 수용하여 고정하도록 배열되는 부분을 각각 형성하는 다수의 유지부들(10)을 구비한다. 각각의 유지부(10)의 측벽들(12)은 배터리 셀(2)과의 접촉 영역 내에서 베이스(11)에 수직으로 배열되고 배터리 셀(2)이 삽입될 때 배터리 셀(2)의 측면(2b)의 일부와 평면 또는 선형 접촉으로 배열는 적어도 하나의 접촉면(12a), 및 배터리 셀(2)이 상응하는 유지부(10)에 삽입될 때 변형하도록 배치된 적어도 하나의 변형가능한 접촉부(12b)를 포함한다.

Description

배터리 셀을 유지하기 위한 셀 홀더, 및 셀 모듈

본 발명은 적어도 하나의 원통형 배터리 셀을 유지(hold)하기 위한 셀 홀더에 관한 것으서, 보다 구체적으로, 전기 차량 또는 하이브리드 차량 또는 연료 전지를 가진 차량용 트랙션(traction) 배터리에 사용하기 위한 셀 홀더 및 셀 홀더 제조 방법에 관한 것이다.

현재, 전기 차량, 하이브리드 차량 및 연료 전지가 탑재된 차량용 배터리 시스템은 연구 개발의 대상이 되고 있다. 일반적으로, 다수의 원통형 배터리 셀들이 결합되어 배터리 모듈을 형성하고, 이것은 "배터리 팩"으도 불려진다. 차량용 트랙션 배터리는 하나 이상의 배터리 모듈들을 구비한다.

배터리 모듈은 셀 홀더들을 구비하고, 셀 홀더의 목적은 배터리 셀들을 기계적으로 고정하여 그들을 결합하여 더 큰 유닛인, 배터리 모듈을 형성하는 것이다. 셀 홀더들은 단일 피스(piece) 또는 다수의 부품들로 성형 제조될 수 있고, 또는 배터리 하우징 내에 영구적으로 고정하기 위해, 배터리 셀들을 초기에 위치시킨 후 캐스팅(casting) 컴파운드로부터 전체적으로 또는 부분적으로 제조될 수 있다.

알려진 디자인은 예를 들어, US 2010/0136413 A1에 개시된 것과 같은 벌집 모양의 셀 홀더들을 사용한다. 이 경우, 배터리 셀들은 서로 평행하게 수직으로 배열되고 행(row)에서 옵셋되어, 배터리 셀의 종방향 길이에 대한 단면에서 보았을 때, 가장 조밀한 원형 팩킹 구조를 형성한다. 배터리 셀들은 하나의 셀 홀더에 의해 축방향 양쪽에 유지되고, 각각의 셀 홀더는 삽입되는 배터리 셀들에 상응하는 컵 모양의 리세스들을 가진다.

도 1은 베이스(11)와 측벽들(12)에 의해 형성되고 컵 형상의 유지부(holding portion)(10)를 구비하는 예시적인 셀 홀더(1)의 상세 단면도를 도시한다. 유지부들(10)은 베이스(11)에 평행한 방향으로 베이스(11)를 향하는 각각의 배터리 셀(2)의 끝단을 수납 및 고정하도록 배열된다. 배터리 셀(2)은 설치 상태에서 직립으로 서 있고 즉, 그 축 방향 또는 셀 축(A)은 베이스(11)에 수직으로 위치된다. 이러한 셀 홀더(1)를 사용하게 되면, 각각의 셀 홀더는 배터리 셀들(2)의 일단을 고정하고, 배터리 셀들(2)은 샌드위치 형태로 유지되어 셀 모듈 또는 배터리 모듈을 형성한다.

플라스틱을 이용한 사출-성형 부품들로서 셀 홀더(1)를 제조하는 것이 알려져 있다. 그러나, 이렇게 사출-성형된 셀 홀더는 성형 도구로부터 쉽게 탈형될 수 있도록 소위, 탈형 각도 또는 탈형 슬로프(slope)를 갖는다. 예시를 위해, 도 1의 탈형 각도(α)는 축 방향에서 베이스(11)로부터 시작하여 측벽(12)의 테이퍼링에 의해 나타나고 과장된 방식으로 도시되어 있다. 플라스틱이 경화된 후, 셀 홀더(1)는 셀 축(A)에 평행한 탈형 방향(E)으로 성형 도구(미도시)로부터 제거된다.

이러한 제조-관련 탈형 각도는 측벽과 배터리 셀의 구획된 평면 접촉에 대응한다. 배터리 셀은 평평한 방식이 아니라 선형의 윤곽에 의해서만 측벽에 의해 지지되는 경향이 있고(도 1의 접촉 구역(K) 참조), 이것은 배터리 셀의 정확한 포지셔닝과 방위 및 안정적인 고정을 방해한다. 또한, 이것은 조립에 불리한 영향을 미치고, 상당히 헐거운 끼워맞춤(clearance fit) 형태로 수행될 필요가 있을 수 있다. 배터리 셀들과 셀 홀더 사이의 인터페이스도 셀 홀더와 배터리 셀들의 제조 공차에 민감하다. 상응하는 배터리 셀 주위를 완전히 둘러싸는 유지부의 측벽은 일반적으로 설치 공간을 증가시키는 결과를 초래하고, 특히 탈형 각도로 인해 바닥면이 두꺼워지기 때문에 설치 공간이 증가될 수 있다.

배터리 셀을 배치할 때, 소위 배터리 셀의 "열 폭주"의 경우 인접한 셀로의 열 전파를 방지하고 단락을 방지하기 위해, 인접한 배터리 셀들 사이의 충분한 간격을 유지하도록 주의해야 한다. 이를 위하여, 배터리 셀들 사이에 충분한 간격이 확보되도록 셀 홀더를 배열하는 것이 일반적이다. 이 경우, 배터리 셀들은 정사각형 또는 육각형과 같은 셀 패턴을 형성하고, 인접한 셀들은 모두 서로 동일한 간격(spacing)을 갖는다.

그럼에도 불구하고, 인접한 배터리 셀들 사이의 단락 확률은 간격뿐만 아니라 연결 상태에 의존한다. 따라서, 전기적으로 직렬로 연결된 인접한 배터리 셀들 사이는 전기적으로 병렬로 연결된 인접한 배터리 셀들 사이보다 더 큰 간격이 유지되어야 한다. 그러나, 일반적으로 오늘날의 셀 홀더들은 동일한 셀 간격을 가지며, 안전상의 이유로 직렬로 연결된 2개의 배터리 셀들의 간격에 대한 요구 사항을 충족해야 한다. 만약, 배터리 모듈 내부의 전기적 연결이 알려져 있고 변경할 수 없다면, 이것은 배터리 셀의 팩킹 밀도가 최적이 아니고 그에 따른 에니지 밀도도 최적이 아닌 결과를 초래한다. 만약, 셀 홀더가 상이한 전기적 연결 패턴들이 가능하도록 배열되는 경우, 기술적으로 실현가능한 구성의 수가 제한되므로 이러한 경우 대부분의 셀 간격들은 불필요하게 크게 유지된다. 에너지 밀도에 대한 부정적인 영향 외에도, 셀 간격이 커지면 셀 홀더의 재료의 소모가 증가하고 중량이 증가하는 문제가 있다.

본 발명의 하나의 목적은 적어도 하나의 원통형 배터리 셀을 유지하기 위한 개선된 셀 홀더 및 개선된 셀 모듈을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 셀 홀더, 청구항 8의 특징을 갖는 셀 홀더 및 청구항 13의 특징을 갖는 셀 모듈에 의해 달성된다. 바람직한 실시예들은 종속항들, 이어지는 상세한 설명, 및 바람직한 실시예들의 상술에서 발견된다.

바람직하게, 본 명세서에 개시된 셀 홀더는 전기 차량 또는 하이브리드 차량 또는 연료 전지를 갖는 차량용 트랙션 배터리에 사용하기 위한 것이다. 일반적으로, 다수의 배터리 셀을 구비하는 셀 모듈 또는 배터리 모듈은, 배터리 셀을 유지하거나 고정하기 위해 하나 또는 2개의 셀 홀더들을 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 셀 홀더는 베이스와 측벽을 각각 구비하여, 따라서, 하나의 각각의 배터리 셀의 축방향 끝단, 즉 바닥면 및 적어도 일부는 배터리 셀의 측면을 수용하여 고정하도록 배열된 부분(바람직하게는 오목한)을 각각 포함하는 다수의 유지부들을 구비한다. 배터리 셀의 원통형 형상으로 인해, 배터리 셀은 셀 축을 구획할 뿐만 아니라 셀 축 및 배터리 셀의 주변 방향을 따라 연장하는 측면을 구획한다. 배터리 셀은 적어도 한 방향 바람직하게 복수의 방향으로 셀 홀더에 의해 고정된다. 따라서, 유지부의 베이스와 측벽은 베이스의 방향뿐만 아니라 베이스에 평행한 모든 방향들에서 해당 배터리 셀을 고정할 수 있도록 배치되는 것이 바람직하다.

각각의 유지부의 측벽들은, 베이스에 실질적으로 수직으로 배터리 셀과의 접촉 영역 내에 배열되고 배터리 셀이 삽입될 때 배터리 셀의 측면 표면의 일부와 평면 또는 선형 접촉하도록 배열되는 적어도 하나의 접촉면, 및 배터리 셀이 해당 유지부에 삽입될 때 변형되도록 설계된 적어도 하나의 변형가능한 접촉부를 구비한다. 이 경우 접촉 표면은 변형되지 않는 것이 바람직하다.

다시 말해서, 오목하게 만곡된 접촉면은 배터리 셀의 측면의 해당 부분과 일치하여 평면 접촉을 이루게 된다. 변형가능한 접촉부는 다른 지점에 위치되고, 바람직하게는 접촉면에 대향한다. 바람직하게, 접촉부는 스프링 방식으로 작용하도록 탄성변형 가능하다.

바람직하게, 접촉면은 원통형 또는 부분 원통형이다. 이 경우, "원통형" 및 "원형"이라는 용어는 완전한 원통형 원주 또는 원을 정의할 필요는 없지만, 해당 세그먼트의 윤곽선을 둘러싸면 된다. 왜냐하면, 접촉면이 배터리 셀을 완전히 둘러싸는 것이 아니라, 예를 들어 20°내지 90° 범위와 같이, 배터리 셀 둘레의 일부에 대해 평면 방식으로만 놓이기 때이다.

이러한 방식으로 구성된 셀 홀더는, 대응하는 측벽을 갖는 유지부의 기하학적 구조가 예를 들어, 사출 성형에 의해 간단한 방식으로 제조될 수 있기 때문에, 자원 및 비용 효율적인 방식으로 제조될 수 있다. 유지부는 셀 홀더에 대한 배터리 셀(들)의 구획된 기계적 연결뿐만 아니라 정확한 포지셔닝과 방위를 가능하게 한다. 셀의 조립은 변형가능한 접촉부에 의해 용이해진다. 또한, 유지부는 삽입된 배터리 셀의 측면이 접촉 영역들 사이에서 자유로울 수 있고 셀 홀더의 재료에 의해 완전히 둘러싸일 필요가 없기 때문에 서로 직접적으로 인접하는 배터리 셀들의 특히 간격을 줄이는 배열을 가능하게 한다. 또한, 셀 홀더와 배터리 셀들의 제조 공차에 상대적으로 덜 민감해지는 효과를 낳는다. 셀 직경의 변동에 상대적으로 민감하지 않기 때문에, 셀 홀더는 다른 변경없이 다른 제조업체의 배터리 셀들을 유지할 수 있으므로, 배터리 셀의 유형/제조업체의 변경이 있을 경우 자원과 비용을 절약할 수 있다.

바람직하게, 접촉면은 베이스에 부착되고, 배터리 셀의 위치와 방위를 실질적으로 구획하는 해당 유지부의 구역은 특히 안정적이 되도록 구성된다. 바람직하게, 베이스와 접촉면은 단일 피스로 형성된다.

바람직하게, 변형가능한 접촉부는 베이스에 부착되지 않고, 구조적으로 간단한 방식으로 변형가능성이 구현될 수 있다.

바람직하게, 접촉면은 베이스에 평행한 단면에서 오목하게, 특히 원형으로 만곡되고, 대응하는 모양의 원형-원통형 배터리 셀과 최적으로 상호작용한다.

바람직하게, 접촉면과 변형가능한 접촉부는 배터리 셀이 삽입되지 않고 지면에 수직한 단면에서 보았을 때 영(zero)이 아닌 각도를 형성한다. 이러한 방식으로, 공차를 보완하고 배터리 셀의 고정을 향상시킬 수 있다. 따라서, 변형가능한 접촉부는 해당 배터리 셀에 대한 삽입 모따기(chamfer)의 기능도 가진다.

바람직하게, 각각의 경우에, 유지부는 복수의 변형가능한 접촉부들, 특히 정확히 2개의 변형가능한 접촉부들을 포함하고, 상응하는 배터리 셀의 고정 및 정확한 방위가 개선되고 홀더가 안정화된다. 변형가능한 접촉부의 사용과 관련하여 설명된 특징들, 기술적 효과들과 장점들은 임의의 다른 변형가능한 접촉부에 동일하게 적용된다.

바람직하게, 접촉면을 가진 유지부의 측벽은 인접한 유지부의 변형가능한 접촉부을 갖는다. 다시 말해서, 인접하는 유지부의 접촉면과 하나 이상의 변형가능한 접촉부는 단일 조각으로 그리고 정확히 하나의 구조적 부분에 의해 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 인접하는 유지부들은 서로 구조적으로 통합되어, 셀 홀더가 특히 컴팩트한 방식으로 구성될 수 있다.

바람직하게, 셀 홀더는 특히, 사출 성형 방법에 의해 플라스틱으로 제조된다. 바람직하게 셀 홀더는 단일 조각으로 제조된다. 방법의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 구조적 특성과 제조 방법이 상승적으로 협력하기 때문에 전술한 변형예의 어느 하나에 따른 셀 홀더가 특히 적합하다.

바람직하게, 전술한 목적은 전기 차량 또는 하이브리드 차량 또는 연료 전지를 가진 차량용 트랙션 배터리에 사용하기 위한 원통형 배터리 셀을 유지하기 위한 셀 홀더에 의해 또한 달성되며, 셀 홀더는 베이스와 측벽을 각각 구비하고, 따라서 각각의 배터리 셀의 바닥면 및 적어도 일부에서 배터리 셀의 측면을 수용하고 고정하도록 배열된 일 부분을 각각 포함하는 복수의 유지부들을 구비하고, 유지부는 그 안에 삽입된 배터리 셀들이 적어도 부분적으로 인접한 셀들과 상이한 간격을 갖는다.

셀 홀더는 상술한 특징들의 하나 이상을 가질 수 있으며, 상술한 기술적 효과, 이점 및 실시예들은 상술한 셀 홀더에 동일하게 적용된다.

간격을 측정할 때, 셀 축에 수직인 절단면에서 상응하는 인접 배터리 셀들의 측면들 사이의 가장 짧은 간격이 사용된다. 유지부들은 배터리 셀들의 위치 및 방위를 명확하게 미리결정하여, 삽입된 상태에서 배터리 셀들, 특히 위에서 정의된 간격은 유지부들의 구조적 구획을 의미하는 점도 언급되어야 한다. 인접한 배터리 셀들의 간격을 결정하기 위해 완전히 점유된 셀 홀더가 가정되므로, 점유되지 않은 유지부에 의해 기인하는 가변 간격은 제외된다.

셀 홀더는 삽입되는 배터리 셀들 사이의 가변 간격을 유지부가 가질 수 있도록 구성되기 때문에, 배터리 셀들의 팩킹 밀도는 등거리(equidistant) 셀 포지셔닝에 비해 안전상의 손실 없이 최적화될 수 있다. 이것은 재료 소비 감소, 비용 절감 및 셀 홀더의 중량 감소로 이어진다.

바람직하게, 복수의 유지부들, 예를 들어 3개의 유지부들이 결합되어 하나의 각각의 셀 그룹을 형성하고, 높은 팩킹 밀도의 이점은 전기적 연결에 대한 유연성 달성과 결합된다.

바람직하게, 인접한 셀 그룹들은 그룹 벽(wall)에 의해 서로 분리됨으로써, 전기 절연 및/또는 기계적 안전성이 향상된다. 따라서, 셀 그룹들은 바람직하게 안정화 웹 또는 그룹 벽들에 의해 서로 분리된다. 그러한 그룹 벽들은 셀 그룹 내부에 위치되지 않는다. 더 많거나 더 적은 수의 유지부들이 결합되어 적용 분야, 셀 홀더의 재질, 안정성 요구 사항 등에 따라 셀 그룹을 형성하게 된다. 그러한 결합은 재료와 공간을 절약하고, 배터리 셀들로부터 구성되는 셀 모듈과 그 안에 있는 하나 또는 2개의 셀 홀더들이 특히 컴팩트하게 구성될 수 있다.

바람직하게, 유지부들은 셀 그룹 내부의 인접한 배터리 셀들의 간격이 인접하는 셀 그룹들의 인접한 배터리 셀들의 간격보다 더 작도록 배열된다.

순전히 전기적인 관점에서, 극단적인 경우, 셀 모듈은 최대 팩킹 밀도를 얻기 위해 전체 배터리 그룹(=로지컬(logical) 셀, 병렬로 연결된 배터리 셀들의 그룹)을 구비할 수 있다. 그러나, 기계적인 이유에 의해, 그러한 배터리 그룹은 셀 홀더의 구성이나 디자인을 변경하지 않고도 가능한 전기적 연결에 대한 유연성을 허용하는 해당 셀 벽들을 가진 복수의 셀 그룹들로 세분되는 것이 바람직하다. 기존의 디자인과 비교하여, 더 높은 팩킹 밀도는 전기 연결 및 안전과 관련하여 유연성을 달성하고 재료를 덜 소비하면서 달성될 수 있다.

바람직하게, 유지부들은 행으로 배열되며, 인접한 행들의 유지부들은 특히 바람직하게 유지부의 절반의 치수만큼 옵셋되는 것과 같은 옵셋 방식으로 배열된다. 이러한 방식으로, 베이스에 평행한 단면에서 볼 때, 벌집 구조 또는 가장 조밀한 원형 팩킹이 생성될 수 있다. 이러한 방식으로, 단위 면적당 수용되는 배터리 셀들의 개수가 최대화될 수 있다.

동일한 이유로, 하나 이상의 유지부들은 바람직하게 상응하게 삽입된 배터리 셀의 측면을 측벽이 완전히 둘러싸지 않도록 구성된다. 상술한 유지부들의 그룹화가 제공될 수 있거나 최소한의 도움을 받을 수 있다.

바람직하게, 각각의 셀 그룹의 유지부들은 일렬로 존재하고, 즉 이 경우 셀 그룹은 복수의 행들에 걸쳐 있지 않기 때문에, 전기적 연결의 유연성과 기계적 안정성 사이에서 양호한 절충이 달성된다.

또한, 상기 언급된 목적은 바람직하게 전기 차량 또는 하이브리드 차량 또는 연료 전지를 갖는 차량용 트랙션 배터리에 사용하기 위한 셀 모듈에 의해 달성되고, 셀 모듈은 전술한 변형예들의 어느 하나에 따른 적어도 하나의 셀 홀더; 셀 홀더의 유지부 속으로 각각 삽입되어 셀 홀더에 의해 고정되는 복수의 배터리 셀들; 및 배터리 셀들을 전기적으로 연결하는 연결부를 포함한다. 바람직하게, 셀 모듈은 샌드위치 같은 방식으로 배터리 셀들을 유지하는 2개의 셀 홀더들을 구비한다.

상술한 셀 홀더들과 관련하여 설명된 특징, 기술적 효과, 장점 및 실시예들는 셀 모듈에도 그대로 적용된다.

바람직하게, 연결부는 셀 그룹 내부의 배터리 셀들이 병렬로 연결되는 반면, 상이한 셀 그룹들의 배터리 셀들이 직렬로 연결되도록 배치됨으로써, 높은 팩킹 밀도에도 불구하고 전기적 및 기계적 안전성이 확보될 수 있다.

병렬로 연결된 배터리 셀들은 셀 모듈 내의 배터리 그룹을 구획한다. 셀 모듈 내에 존재하는 배터리 그룹들은 동일한 사이즈, 즉 동일한 개수의 배터리 셀들을 구비한다. 바람직하게, 배터리 그룹 내의 배터리 셀들의 개수는 각각의 셀 그룹에 대한 유지부들의 개수에 의해 분할될 수 있으므로, 높은 팩킹 밀도의 장점은 전기적 연결에 대한 유연성 달성과 결합된다.

하나의 특정 실시예에 따르면, 예를 들어, 셀 모듈은 11개의 행과 27개의 렬로 배치된 총 297개의 셀 위치들을 포함하고, 3개의 배터리 셀들은 행으로 결합되어 하나의 각각의 셀 그룹을 형성한다. 이러한 구성은 다수의 연결 구성을 가능하게 한다. 따라서, 배터리 셀들은 병렬로 행으로 연결될 수 있고, 행들은 직렬로 연결될 수 있다. 이러한 연결을 "기본 연결"이라 하고 "11s27p"로 약칭되고, 명명법 "s"는 직렬을 나타내고 "p"는 병렬을 나타낸다. 기본 연결은 버스바(busbar) 구조와 균일한 전원 분배 측면에서 선호되는 구성이다. 그러나, 밀접하게 간격을 둔 배터리 셀들의 직렬 연결은 피해야 한다는 안전 측면을 고려하면, 배터리 셀들의 그룹화는 다른 연결 패턴 또는 구성을 가능하게 한다.

셀 모듈은 바람직하게 다수의 원통형 배터리 셀들과 각각 하나의 셀 홀더에 의해 셀 축 방향으로 양쪽에 배터리 셀들을 유지하기 위한 2개의 셀 홀더들을 포함한다.

또한, 상기 언급된 목적은 바람직하게 전기 차량 또는 하이브리드 차량 또는 연료 전지를 갖는 차량용 트랙션 배터리에 사용하기 위한 셀 홀더를 제조하는 방법에 의해 달성되고, 셀 홀더는 셀 축을 정의하는 적어도 하나의 원통형 배터리 셀을 유지하도록 배열된다. 방법에 따르면, 셀 홀더는 바람직하게 2개의 도구(tool) 절반(half)들을 가진 성형 도구을 사용하여 플라스틱 재료로부터 사출 성형된다. 이러한 도구 부품/도구 절반을 사용하는 경우, 이러한 도구 부품/도구 절반은 도구를 개방하기 위해 서로에 대해 다른 방식으로 변위, 피벗 또는 이동될 수 있다. 어떤 경우이든, 셀 홀더는 플라스틱이 성형 도구 내에서 충분히 경화된 후 성형 도구로부터 제거될 수 있다.

본 발명에 따르면, 셀 홀더는 성형 도구로부터 탈형 방향으로 제거되며, 탈형 방향과 셀 축은 평행하지 않다.

탈형 방향과 셀 축이 평행하지 않기 때문에, 배터리 셀과 셀 홀더 사이의 접촉이 개선될 수 있고, 사출 성형에 필요한 기존의 탈형 각도는 품질 면에서 손실이 없지만 배터리 셀(들)을 안정화시키는 데 직접 사용된다.

이러한 기술적 효과는 특히 상기 설명에 따른 셀 홀더에 의해 달성된다. 셀 홀더와 관련하여 설명된 특징, 기술적 효과, 이점 및 실시예는 본 방법에 동일하게 적용된다.

본 발명의 다른 장점 및 특징은 바람직한 실시예의 다음 설명에서 찾을 수 있다. 본 명세서에 설명된 특징은 서로 모순되지 않는 한 개별적으로 또는 위에서 설명한 특징들의 하나 이상과 조합하여 구현될 수 있다. 바람직한 실시예에 대한 다음의 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 이루어진다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예들은 이어지는 도면들의 설명에 의해 보다 상세하게 기술된다.
도 1은 셀 축에 평행한 단면에서 보여지는 종래의 셀 홀더의 상세도를 도시하며, 탈형 각도들이 과장된 방식으로 도시되어 있고 탈형 방향은 셀 축에 평행하다.
도 2는 서로에 대해 행 옵셋으로 배열된 복수의 유지부들을 가진 셀 홀더의 평면도를 도시한다.
도 3은 셀 축에 평행한 단면으로 보여지는 셀 홀더의 상세도를 나타내며, 탈형 방향은 셀 축에 평행하지 않다.
도 4는 셀 홀더의 상세 사시도를 도시하며, 자유로운 유지부와 배터리 셀에 의해 점유된 유지부를 도시한다.
도 5는 유지부 속으로 비스듬히 바라 본 셀 홀더의 유지부의 상세 사시도를 도시한다.
도 6은 배터리 셀이 삽입된 셀 홀더의 유지부를 아래에서 바라 본 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 셀 홀더의 상세 사시도를 도시한다.
도 8은 다른 관점에서 바라 본 셀 홀더의 상세 사시도를 도시한다.
도 9는 셀 홀더의 평면도를 도시한다.
도 10은 상이한 간격을 갖는 배터리 셀의 그룹화에 대한 개략적인 정성적 도면을 도시한다.
도 11은 기본 연결 내의 셀 모듈의 분해 사시도를 도시한다.
도 12a, 내지 12c는 대체 연결의 개략도를 각각 도시한다.

이하, 도면들을 참조하여 바람직한 실시예를 설명한다. 도면에서 동일하거나 유사하거나 유사하게 동작하는 구성요소는 동일한 참조부호로 제공되며, 이러한 구성요소는 일부의 경우 중복 설명을 피하기 위해 생략된다.

도 2는 도 3, 도 4 및 도 6에 도시된 원통형 배터리 셀들(2)을 수용하도록 배열된 복수의 유지부들(10)을 갖는 셀 홀더(1)의 평면도이다. 셀 홀더(1)는 특히, 사출 성형 방법에 의해 플라스틱으로부터 제조된다. 또한, 바람직하게, 셀 홀더(1)는 일체형 또는 실질적으로 일체형으로 구성된다.

유지부들(10)은 오목부를 형성하고, 즉, 유지부들은 컵 형상이 되도록 또는 리세스로서 구성되고, 배터리 셀(2)의 2개의 축방향 끝단들의 하나는 이러한 유지부(10)에 삽입될 수 있고, 도 3 및 도 4에 특히 명확하게 드러난다.

본 실시예의 유지부들(10)은 행(R)으로 배열되고, 인접한 행들(R)은 유지부(10)의 절반의 치수만큼 옵셋되어, 벌집 구조 또는 가장 조밀한 원형 팩킹의 구조가 된다. 이러한 방식으로, 단위 면적당 배터리 셀들(2)의 개수가 최대화될 수 있다. 그러나, 유지부들(10)은 예를 들어, 인접한 행들(R)을 옵셋하지 않고 다른 방식으로 배열될 수도 있다.

유지부들(10)은, 배터리 셀(2)이 삽입될 때 배터리 셀(2)의 대응 바닥면(2a)의 적어도 일부분과 접촉하여 이러한 방식으로 배터리 셀(2)을 축방향으로 즉, 셀 축(A)(도 3 참조)을 따라 고정하는 베이스(11)를 포함한다. 배터리 셀들(2)의 바닥면(2a)은 반드시 완벽한 평면을 형성할 필요는 없으나, 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 배터리 셀의 축방향(A)으로 곡률, 변형 등이 있을 수 있음을 언급해야 한다.

베이스(11)는 바람직하게 배터리 셀들(2)의 전기적 접촉을 허용하거나 용이하게 하기 위한 일반적인 개구일 수 있는 베이스 개구(11a)를 갖는다.

유지부들(10)은 측벽들(12)을 포함하고, 측벽들(12)은 배터리 셀이 삽입된 상태에서 측면 방향으로, 즉 셀 축(A)에 수직으로 배터리 셀들(2)을 고정하도록 배열된다. 측벽들(12)은 배터리 셀들(2)의 유지를 개선하는 특별한 구조를 가진다. 유지부(10)와 배터리 셀(2) 사이의 인터페이스의 이러한 개선은 제조에 의존하는 탈형 각도(α)를 이용함으로써 구현될 수 있다(도 3 참조).

도 3을 참조하면, 셀 홀더(1)가 사출 성형 부품으로 생산된 경우 해당 성형 도구(미도시)로부터 제거되는 방향은 탈형 방향(E)으로 표시될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 탈형 방향(E)과 셀 축(A)은, 수직 배터리 셀(2)의 경우, 탈형 각도(α)와 일치하는 0이 아닌 각도(β)를 형성한다. 다시 말해서, 탈형 방향(E)과 셀 축(A)은 평행하지 않다. 탈형 방향(E)과 셀 축(A)이 평행하지 않기 때문에, 이하에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, 배터리 셀(2)과 대응하는 유지부(10)의 측벽(12) 사이의 접촉이 개선될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 유지부(10)의 측벽들(12)은 베이스(11)에 실질적으로 수직으로 서 있고, 베이스(11)에 부착될 수 있으며 수직으로 오목하고, 특히 원통형으로 만곡된 접촉면(12a)을 포함하기 때문에 배터리 셀(2)의 측면(2b)의 대응하는 부분과 일치하여 배터리 셀(2)과 평면 접촉한다. 바람직하게, 원통형 접촉면(12a)은 셀 축(A)에 수직인 원형 방식으로 만곡되어 원형 원통형 배터리 셀들(2)과 최적으로 협력한다.

"원통형" 및 "원형"이라는 용어는 반드시 완전한 원주 또는 원을 정의하는 것은 아니다. 원통형 접촉면이 배터리 셀을 완전히 둘러싸는 것은 아니기 때문에, 해당 부분, 즉 세그먼트의 윤곽이 둘러싸이지만, 예를 들어 20˚ 내지 90˚의 범위에서 배터리 셀 원주의 일부분에 대해서만 평면 방식으로 지지한다.

또한, 측벽들(12)은 각각의 유지부(10)에 대한 하나 이상, 바람직하게 정확히 2개의 변형가능한 접촉부들(12b)을 포함한다. 변형가능한 접촉부들(12b)은 배터리 셀(2)이 삽입될 때, 도 3으로부터 분명히 드러나는 바와 같이, 접촉면(12a)과 대조적으로 적어도 부분적으로 변형된다. 접촉부들(12b)은 바람직하게 탄성이고, 따라서 스프링의 방식이며, 이를 위해 베이스(11)에 부착되지 않거나 완전히 부착되지 않는 것이 바람직하다. 변형가능한 접촉부들(12b)은 배터리 셀(2)의 측면(2b)과 축 방향으로 평면 접촉 또는 선형 접촉을 생성한다.

비점유된 상태, 즉 배터리 셀(2)이 삽입되지 않은 상태에서, 접촉면(12a)과 대응하는 접촉부(12b)는 바람직하게 0이 아닌 각도(2α)를 형성하고(도 3 참조), α는 위에서 언급한 탈형 각도를 나타낸다. 탈형 각도(α)는 탈형 방향(E)으로 베이스(11)로부터 시작하는 유지부(10)의 테이퍼(taper)를 정의하고, 한편으로는 상응하는 사출 성형 도구로부터 셀 홀더(1)의 제거를 단순화하고, 다른 한편으로는 접촉부(12b)의 변형성으로 인해 삽입될 배터리 셀(2)의 신뢰할 수 있는 클램핑에 영향을 미친다. 수직 접촉면(12a)으로 인해, 배터리 셀(2)의 정확한 포지셔닝 및 방위가 동시에 보장된다.

본 실시예에서, 하나의 각각의 유지부(10)에 대한 측벽들(12)은 수직 접촉면(12a)과 2개의 대향 접촉부들(12b)을 갖는다. 이것은 배터리 셀(2)당 3개의 접촉 지점들을 형성하게 되고, 적어도 접촉면(12a)은 평면 접촉을 생성한다. 접촉부(12b)는 바람직하게 셀 축(A)에 대해 볼 때 비스듬히 연장되어, 대응하는 배터리 셀(2)에 대한 삽입 모따기의 기능을 한다. 접촉 지점들은 기존의 탈형 슬로프를 이용하고 사출 성형에 의한 2개의 도구 절반들로부터만 제조될 수 있다.

접촉면들(12a)과 변형가능한 접촉부들(12b)은, 도 4 및 도 5로부터 특히 명확하게 드러난 바와 같이, 서로 구조적으로 통합될 수 있다. 접촉면(12a)을 가진 유지부(10)의 측벽(12)은 동시에 인접한 유지부(10)의 접촉부(12b)를 형성할 수 있다. 따라서, 특정 행(R)의 유지부(10)의 접촉부(12b)는 예를 들어, 행(R-1)의 인접한 유지부(10)의 접촉면(12a)의 정점의 높이에 위치된다(도 3 참조).

도 7 내지 도 9는 접촉면(12a)의 구조가 전술한 실시예들과 상이한 다른 실시예를 도시한다. 도 2, 도 4 및 도 5의 실시예에 따른 접촉면(12a)은 원통형으로 만곡(평행한 단면에서 볼 때)되어 배터리 셀(2)의 측면(2b)과 접촉하는 평면 접촉을 생성하는 반면, 본 실시예에 따르면, 특히 도 9에서 명백히 드러나는 바와 같이, 접촉면(12a)과 배터리 셀(2)의 측면(2b)은 실질적으로 두 지점들에서 선형 접촉을 형성한다. 따라서, 접촉면(12a)은 배터리 셀(2)의 곡률에 상응할 필요는 없지만, 예를 들어 베이스(11)에 수직인 단면에서 볼 때, 직선 또는 다각형 방식으로 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 셀 홀더(1)는 상이한 형상 및/또는 치수의 배터리 셀(2)에 대해 특히 유연한 방식으로 사용될 수 있다.

측벽(12)을 접촉면(12a)과 하나 이상의 변형가능한 접촉부(12b)로 세분하게 되면, 이들 접촉 구역 사이에 삽입된 배터리 셀(2)의 측면(2b)이 자유로울 수 있고 셀 홀더(1)의 재료에 의해 1˚ 내지 360˚까지 완전히 둘러싸일 필요가 없는 결과를 낳은다.

그 결과, 바로 인접한 배터리 셀들(2)로 구성된 셀 그룹들(1a)이 제공될 수 있다. 도 2에는 3개의 각각의 유지부들(10)로 구성된 셀 그룹들(1a)이 예시적으로 도시되어 있다. 셀 그룹들(1a)은 행(R) 방향으로의 안정화 웹 또는 그룹 벽(1b)에 의해 서로 분리된다. 더 크거나 더 작은 수의 유지부들(10)은 셀 홀더(1)가 결합되어 용도, 재료, 안정성 요구 사항 등에 따라 셀 그룹(1a)을 형성한다. 그러한 결합은 재료와 공간을 절약할 수 있으므로, 배터리 셀들(2) 및 셀 홀더들(1)의 하나 또는 2개로부터 구성되는 셀 모듈(100)은 특히 컴팩트한 방식으로 구성될 수 있다(도 11 참조).

셀 그룹(1a)의 배터리 셀들(2)은, 배터리 셀들(2)의 측면들(2b)이 동일한 전위(electrical potential)를 갖고 접촉할 가능성이 있기 때문에, 전기적으로 병렬로 접속되는 것이 바람직하다.

대응하는 측벽들(12)을 가진 유지부들의 기하학적 구조가 예를 들어, 대응하는 성형 도구 절반에 의해 간단한 방식으로 사출 성형될 수 있기 때문에, 셀 홀더(1)는 자원 및 비용 측면에서 효율적으로 제조된다. 유지부들(10)은 셀 홀더(1)에 대한 배터리 셀들(2)의 정확한 포지셔닝 및 구획된 기계적 부착을 가능하게 한다. 셀의 조립은 변형가능한 접촉부(12b)에 의해 형성된 삽입 모따기에 의해 용이해진다. 셀 홀더(1)는 유지되어야 할 균일한 부품 벽 두께를 가능하게 하여 제조 가능성 및 방화 등급 달성에 유리하다. 유지부들(10)은 배터리 셀들(2)이 서로 바로 인접하게 배열되도록 하여 설치 공간을 절약한다. 또한, 셀 홀더(1)와 배터리 셀들(2)의 생산 공차에 상대적으로 민감하지 않는 효과가 달성된다. 셀 직경의 변동에 대해 둔감하기 때문에, 셀 홀더(1)는 수정없이 다른 제조업체의 배터리 셀(2)을 유지할 수 있으므로, 배터리 셀의 형태/제조업자가 잠재적으로 변경되더라도 자원 및 비용이 절감될 수 있다.

도 2를 참조하여 설명한 배터리 셀들(2)의 그룹화로 돌아가서, 그룹화는 셀 그룹(1a) 내부의 인접한 배터리 셀들(2)과 인접한 셀 그룹들(1a)의 인접한 배터리 셀들(2) 사이의 상이한 간격에 의해 구현될 수 있다. 이것은 도 10에 개략적으로 도시되어 있고, 여기서 a1은 그룹 내부의 셀 간격, 즉 셀 그룹(1a) 내부의 인접한 배터리 셀들(2)의 간격을 나타내고, a2는 그룹들 내부의 셀 간격, 즉 인접한 셀 그룹들(1a)의 인접한 배터리 셀들(2)의 간격을 나타낸다. 각각의 경우에, 대응하는 배터리 셀들(2)의 측면들(2b) 사이에 최소 간격이 사용된다.

도 2 및 도 10에 따른 3중 그룹화는 예시일 뿐이며, 더 많거나 적은 수의 배터리 셀들(2)이 결합되어 하나의 각각의 셀 그룹(1a)을 형성할 수도 있다. 그룹화가 상이한 간격들(a1,a2)에 의해 구현되면, 더 큰 간격들(a2)의 부분들 내에서 셀 홀더(1)는 이것이 도 2에 따른 바람직한 실시예임에도 불구하고, 웹 또는 그룹 벽들(1b)을 반드시 가질 필요는 없다.

특히 바람직하게, 작은 간격들(a1)의 배터리 셀들(2) 즉, 셀 그룹(1a) 내부의 배터리 셀들의 유닛은 병렬로 연결되는 반면, 상이한 셀 그룹들(1a)의 배터리 셀들(2)은 직결로 연결된다. 이와 같은 방식으로, 안전 측면에서 손실 없이 등거리 셀 포지셔닝과 관련하여 더 큰 팩킹 밀도가 달성된다.

도 11은 2개의 셀 홀더들(1)과 그들 사이에 샌드위치 형태로 유지된 배터리 셀들(2)을 가진 셀 모듈(100)을 도시한다. 하우징부(3), 냉각부(4) 및 연결부(5)도 볼 수 있다.

도 11의 실시예에서, 셀 모듈(100)은 총 297개의 셀 위치들을 포함하고, 11행(R) 및 27열로 배치되고, 3개의 배터리 셀들(2)은 행으로 결합되어 하나의 각각의 셀 그룹(1a)을 형성한다. 또한, 배터리 셀들(2)은 병렬 행으로 연결되고 행(R)은 직렬로 연결된다. 이 연결은 "기본 연결"로 표시될 수 있으며 "11s27p"로 약칭될 수 있고, s-p 명명법에서 "s"는 직렬을 나타내고 "p"는 병렬을 나타낸다. 기본 연결은 도 11의 연결부(5)에 의해 도시된 버스바 구조 및 균일한 전력 분배 측면에서 바람직한 구성이다.

그러나, 배터리 셀들(2)의 그룹화는 다른 연결 패턴 또는 구성을 가능하게 하는 한편, 작은 간격(a1)을 갖는 배터리 셀들(2)의 직렬 연결이 회피되어야 하는 안전 측면을 고려한다. 도 12a 내지 도 12c는 버스바 구조 및 전력 분배 측면에서 합리적으로 표현된 예시적인 구성을 도시한다. 도면에서, 동일한 그레이 스케일의 필드는 병렬로 연결된 배터리 셀(2)을 나타내는 반면, 다른 그레이 스케일의 필드는 직렬로 연결된 유닛을 형성한다. s-p 명명법 뒤의 괄호 안의 숫자는 셀 모듈(100) 내의 배터리 셀들에 의해 실제로 점유된 위치들의 수를 나타내고, "u"로 표시된 필드(도 12b 및 12c)는 비어 있다. 도 11 내지 도 12c에 따른 구성들은 완전하지 않지만 다른 변형도 생각할 수 있다.

또한, 유용한 연결 패턴들의 개수와 구성은 셀 그룹(1a)을 형성하기 위해 결합되는 배터리 셀들(2)의 수에 따라 변화한다. 순수 전기적 관점에서, 극단적인 경우, 최대 팩킹 밀도를 얻기 위해서는 셀 모듈(100)은 전체 배터리 그룹(=로지컬 셀, 병렬로 연결된 배터리 셀들(2)의 그룹)을 구성할 수 있다. 그러나, 기계적인 이유로, 이러한 배터리 그룹은 일반적으로 복수의 셀 그룹(1a)으로 세분되며, 이는 또한 셀 홀더(1)의 구성 또는 디자인을 변경하지 않고도 가능한 전기적 연결에 대한 유연성을 가능하게 한다. 기존 디자인에 비해 더 큰 팩킹 밀도는 여전히 재료 소비의 절감을 달성하면서 동시에 전기 연결 및 안전과 관련된 유연성이 달성된다.

바람직하게, 연결부(5)는 인접한 배터리 셀들 사이의 가능한 차이, 즉 직렬 연결이 파티션 벽, 특히 그룹 벽(1b)을 따라서만 발생하도록 배열된다.

배터리 셀들(2) 사이의 상이한 간격들(a1,a2)의 사용 특히, 그룹 벽들(1b)의 사용에 의한 배터리 셀들(2)의 그룹화는 안전 측면에서 손실이 없이 등거리 셀 배치와 비교하여 팩킹 밀도를 최적화할 수 있다. 이것은 셀 홀더(1)의 재료 소비가 더 적고, 비용이 더 낮고 중량이 감소되게 한다. 셀 그룹(1a) 당 유지부들(10)의 수가 배터리 그룹 즉, 병렬로 연결된 배터리 셀들(2)의 그룹 내의 배터리 셀들(2)의 수를 나눈값이면, 높은 팩킹 밀도의 이점은 전기 연결과 관련하여 유연성을 달성하는 것과 결합된다.

적용 가능한 경우, 실시예에 도시된 모든 개별 특징들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 서로 조합 및/또는 교환될 수 있다.

1...셀 홀더 1a...셀 그룹
1b...그룹 벽 2...배터리 셀
2a...바닥면 2b...측면
3...하우징부 4...냉각부
5...연결부 10...유지부
11... 베이스 11a...베이스 개구
12...측벽 12a...접촉면
12b...변형가능한 접촉부 100...셀 모듈
A...셀 축/축 방향 E...탈형 방향
K...접촉 영역 R...행
α...탈형 각도 β...각도
a1...그룹 내부의 셀 간격 a2...그룹들 내의 셀 간격

Claims (15)

1. 전기 차량 또는 하이브리드 차량 또는 연료 전지를 가진 차량용 트랙션 배터리에 사용되는 원통형 배터리 셀들(2)을 유지하기 위한 셀 홀더(1)로서,
   상기 셀 홀더(1)는, 베이스(11)와 측벽들(12)을 각각 구비하고, 각각의 배터리 셀(2)의 바닥면(2a)과 측면(2b)의 적어도 일부분을 수용하여 고정하도록 배열되는 부분을 각각 형성하는, 복수의 유지부들(10)을 구비하고;
   각각의 유지부(10)의 측벽들(12)은 배터리 셀(2)과의 접촉 영역 내에서 베이스(11)에 수직으로 배열되고 상기 배터리 셀(2)이 삽입될 때 배터리 셀(2)의 측면(2b)의 일부와 평면 또는 선형 접촉으로 배열는 적어도 하나의 접촉면(12a), 및 상기 배터리 셀(2)이 상응하는 유지부(10)에 삽입될 때 변형하도록 배치된 적어도 하나의 변형가능한 접촉부(12b)를 포함하는, 셀 홀더.
2. 청구항 1에서,
   상기 접촉면(12a)은 상기 베이스(11)에 부착되고, 및/또는
   상기 변형가능한 접촉부(12b)는 상기 베이스(11)에 부착되지 않거나 완전히 부착되지 않고, 및/또는
   상기 접촉면(12a)은 상기 베이스(11)에 평행한 단면에서 오목하게 만곡된, 셀 홀더.
3. 청구항 1에서,
   상기 접촉면(12a)은 원통형 또는 부분적으로 원통형이고,
   원통형 접촉면(12a)은 상기 베이스(11)에 평행한 단면에서 원형으로 만곡된, 셀 홀더.
4. 청구항 1에서,.
   상기 배터리 셀(2)이 삽입되지 않은 상태에서, 상기 접촉면(12a)과 상기 변형가능한 접촉부(12b)는 0이 아닌 각도를 형성하는, 셀 홀더.
5. 청구항 1에서,
   상기 유지부들(10)은 각각 정확히 2개의 변형가능한 접촉부들(12b)를 포함하는, 셀 홀더.
6. 청구항 1에서,
   상기 접촉면(12a)을 포함하는 상기 유지부(10)의 측벽(12)은 인접하는 유지부(10)의 변형가능한 접촉부(12b)를 가진, 셀 홀더.
7. 청구항 1에서,
   하나 이상의 유지부(10)는 그 측벽들(12)이 상응하는 삽입된 배터리 셀(2)의 측면(2b)을 완전히 둘러싸지 않도록 구성된, 셀 홀더.
8. 전기 차량 또는 하이브리드 차량 또는 연료 전지를 가진 차량용 트랙션 배터리에 사용되는 원통형 배터리 셀들(2)을 유지하기 위한 셀 홀더(1)로서,
   상기 셀 홀더(1)는, 베이스(11)와 측벽들(12)을 각각 포함하고, 각각의 배터리 셀(2)의 바닥면(2a) 및 적어도 부분적으로 배터리 셀의 측면(2b)을 수용하여 고정하도록 배치된 부분을 각각 형성하는, 복수의 유지부들(10)을 구비하고;
   상기 유지부들(10)은 내부에 삽입된 배터리 셀들(2)이 바로 인접하는 배터리 셀들과 적어도 부분적으로 다른 간격들(a1,a2)을 갖도록 배치된, 셀 홀더.
9. 청구항 7에서,
   상기 복수의 유지부들(10)은 3개가 결합되어 하나의 각각의 셀 그룹(1a)을 형성하고, 인접하는 셀 그룹들(1a)은 그룹 벽(1b)에 의해 서로 구분되는, 셀 홀더.
10. 청구항 9에서,
    상기 유지부들(10)은, 셀 그룹(1a) 내부의 인접한 배터리 셀들(2)의 간격(a1)이 인접한 셀 그룹들(1a)의 인접한 배터리 셀들(2)의 간격(a2) 보다 저 작도록 구성된, 셀 홀더.
11. 청구항 7에서,
    상기 유지부들(10)은 행(R)으로 배열되고, 인접한 행들(R)의 유지부들(10)은 유지부(10)의 절반 치수만큼 옵셋되도록 배치되는, 셀 홀더.
12. 청구항 9에서,
    하나의 각각의 셀 그룹(1a)에 대한 유지부들(10)이 하나의 열(R)에 있는, 셀 홀더.
13. 전기 차량 또는 하이브리드 차량 또는 연료 전지를 가진 차량용 트랙션 배터리에 사용하기 위한 셀 모듈(100)로서, 셀 모듈(100)은,
    청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 셀 홀더(1);
    상기 셀 홀더(1)의 유지부(10)에 각각 삽입되어 셀 홀더에 의해 고정되는 복수의 배터리 셀들(2); 및
    상기 배터리 셀들(2)을 전기적으로 연결하는 연결부(5)를 구비하는, 셀 모듈.
14. 청구항 13에서,
    상기 연결부(5)는, 하나의 셀 그룹(1a)의 배터리 셀들(2)이 병렬로 연결되고, 상이한 셀 그룹들(1a)의 배터리 셀들(2)이 직렬로 연결되도록 배치된, 셀 모듈.
15. 청구항 14에서,
    셀 모듈(100) 내에서 병렬로 연결된 배터리 셀들(2)은 각각 배터리 그룹을 구획하고, 배터리 그룹 내의 배터리 셀들(2)의 개수는 각각의 셀 그룹(1a)에 대한 유지부(10)의 수로 구분될 수 있는, 셀 모듈.