KR20230135103A - 배터리 모듈 및 배터리 모듈을 브레이싱하기 위한 방법 - Google Patents

배터리 모듈 및 배터리 모듈을 브레이싱하기 위한 방법 Download PDF

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KR20230135103A
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크리스토프 바르코트슈
로베르트 로흐
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바이에리쉐 모토렌 베르케 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리 모듈을 기술하며, 여기서 배터리 모듈은 2개의 압력 플레이트 사이에 배터리 모듈의 횡축을 따라 서로 나란히 배열된 하나 이상의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 모듈은, 2개 압력 플레이트 사이의 간격이 특정 간격 범위 안에서 변할 수 있음으로써, 결과적으로 횡축을 따라 하나 이상의 배터리 셀의 공간적 확장의 변화가 가능해지도록 설계되어 있다. 배터리 모듈은 또한, 2개의 압력 플레이트에 의해 총 간격 범위 안에서 하나 이상의 배터리 셀에 압축력이 가해지도록 설계되어 있다.

Description

배터리 모듈 및 배터리 모듈을 브레이싱하기 위한 방법
본 발명은, 특히 예컨대 고체 전해질을 갖는 리튬-이온 배터리와 같은 고체 배터리의 배터리 모듈 및 이와 같은 배터리 모듈을 브레이싱(bracing)하기 위한 방법에 관한 것이다.
적어도 부분적으로 전기적으로 구동되는 차량은, 차량의 전기 구동 모터를 작동시키기 위한 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리 또는 배터리 모듈을 구비한다. 배터리 모듈은 전형적으로 다수의 개별 배터리 셀, 특히 배터리 모듈의 하우징 내에 서로 나란히 배열되어 있는 다수의 파우치 셀을 구비한다. 배터리 모듈은 차량 작동 중에 반복적으로 충전 및 방전되며, 이 경우 개별 배터리 셀은 방전된 상태에서 또는 충전된 상태에서 각각 상이한 공간적 확장을 가질 수 있다. 배터리 모듈의 신뢰할 수 있는 작동을 위해서는, 배터리 모듈의 다양한 작동 상태에서도 개별 배터리 셀의 브레이싱과 관련된 특정 조건, 특히 일정한 조건이 유지되어야만 한다.
본 문서는, 특히 배터리 모듈에 높은 수준의 성능을 제공하기 위하여, 배터리 모듈의 상이한 작동 상태에서 배터리 모듈의 개별 배터리 셀의 브레이싱 조건의 정밀한 설정을 각각 가능하게 하려는 기술적 과제를 다루고 있다.
상기 과제는 각각의 독립 청구항들에 의해서 해결된다. 바람직한 실시예들은 다른 무엇보다 종속 청구항들에 기재되어 있다. 언급할 사실은, 일 독립 특허 청구항에 종속된 일 특허 청구항의 추가 특징부들은 그 독립 특허 청구항의 특징부들 없이 또는 그 독립 특허 청구항의 특징부들의 하위 집합과 조합된 경우에만, 그 독립 특허 청구항의 전체 특징부들의 조합으로부터 독립되었고 일 독립 청구항, 일 분할 출원 또는 일 후속 출원의 대상이 될 수 있는 하나의 독자적인 발명을 형성할 수 있다는 것이다. 이와 같은 사실은, 그 독립 특허 청구항의 특징부들로부터 독립된 하나의 발명을 형성할 수 있는, 명세서 내에 기재된 기술적 교시에 대해서도 동일한 방식으로 적용된다.
일 양태에 따르면, 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리 모듈이 설명된다. 배터리 모듈은 60 V 이상 또는 300 V 이상, 특히 800 V 이상의 공칭 전압을 가질 수 있다. 배터리 모듈은, 자동차의 구동 모터의 작동을 위해 전기 에너지를 저장하도록 설계될 수 있다. 자동차는, 자동차용 배터리를 함께 형성하는 복수의 배터리 모듈을 필요에 따라 포함할 수 있다. 개별 배터리 모듈은 서로에 대해 적어도 부분적으로는 직렬로 그리고/또는 적어도 부분적으로는 병렬로 접속될 수 있다. 예를 들어, 전체 공칭 전압이 증가된 차량 배터리를 제공하기 위해서는 복수의 배터리 모듈이 직렬로 접속될 수 있다.
배터리 모듈은, 2개의 압력 플레이트 사이에 이 배터리 모듈의 횡축을 따라 서로 나란히 배열된 하나 이상의 배터리 셀(특히 10개 이상 또는 50개 이상의 배터리 셀)을 포함한다. 배터리 셀은 파우치 셀일 수 있으며, 이 경우 횡축은 파우치 셀의 표면에 대해 그리고/또는 층에 대해 수직이다. 배터리 모듈의 횡축은 배터리 모듈이 배열되어 있는 차량의 횡축과 일치할 수 있다.
배터리 모듈은, 2개 압력 플레이트 사이의 간격이 특정 간격 범위 안에서 변할 수 있음으로써, 결과적으로 횡축을 따라 하나 이상의 배터리 셀의 공간적 확장(특히 팽창 및/또는 수축)의 변화가 가능해지도록 설계되어 있다. 특히, 배터리 모듈은, 횡축을 따라 나타나는 하나 이상의 배터리 셀의 공간적 확산의 변화(확대 또는 축소)에 의해서 2개 압력 플레이트 사이의 간격의 상응하는 변화(확대 또는 축소)가 야기되도록 설계될 수 있다.
배터리 모듈은, 2개의 압력 플레이트 중 제1 압력 플레이트가 이동 가능하게 (차량의 캐리어 상에) 장착되도록 그리고 2개의 압력 플레이트 중 제2 압력 플레이트가 이동 불가능하게 (차량의 다른 캐리어 상에) 장착되도록 설계될 수 있다. 이로써, 2개 압력 플레이트 사이의 간격의 변화가 신뢰할 수 있는 방식으로 가능해질 수 있다.
하나 이상의 배터리 셀은 방전 상태에서는 횡축을 따라 최소의 총 확장을 가질 수 있다. 또한, 하나 이상의 배터리 셀은 충전 상태에서는 횡축을 따라 최대의 총 확장을 가질 수 있다. 따라서, 하나 이상의 배터리 셀은, 하나 이상의 배터리 셀이 충전 프로세스 동안에는 (횡축을 따라) 팽창하도록 그리고/또는 방전 프로세스 동안에는 (횡축을 따라) 수축하도록 설계될 수 있다. 팽창은 예를 들어 총 팽창의 10%의 범위 안에 놓일 수 있다. 하나 이상의 배터리 셀의 최대 총 확장은 하나 이상의 배터리 셀의 최소 총 확장보다 5% 내지 15% 위에 놓일 수 있다. 이와 같은 팽창은 특히 고체 전해질을 갖는 전기 화학적 배터리 셀(소위 전고체 배터리(ASSB: All Solid State Battery))에서, 특히 고체 전해질을 갖는 리튬-이온 셀에서 존재할 수 있다.
2개 압력 플레이트 사이의 간격이 변하는 간격 범위는, 아래로는 최소 총 확산에 의해서 그리고 위로는 최대 총 확산에 의해서 한정될 수 있다.
배터리 모듈은 또한, 2개의 압력 플레이트에 의해 총 간격 범위 안에서 하나 이상의 배터리 셀에 압축력이 가해지도록 설계될 수도 있다. 배터리 모듈은 특히, 2개의 압력 플레이트에 의해, 총 간격 범위 안에서 최대 20%만큼, 특히 최대 10%만큼 변하는 압축력이 하나 이상의 배터리 셀에 가해지도록 설계될 수 있다. 대안적으로 또는 보완적으로, 배터리 모듈은, 2개의 압력 플레이트에 의해 하나 이상의 배터리 셀에 압축력이 가해짐으로써, 결과적으로 총 간격 범위 안에서 하나 이상의 배터리 셀에 가해지는 최소 압력은 미달하지 않도록 그리고/또는 하나 이상의 배터리 셀에 가해지는 최대 압력은 초과하지 않도록 설계될 수 있다. 최소 압력은 예를 들어 8 bar 이상일 수 있으며 그리고/또는 최대 압력은 12 bar 이하일 수 있다.
따라서, 배터리 모듈의 하나 이상의 배터리 셀의 상응하는 팽창 및/또는 수축을 가능하게 하기 위하여, 그리고 이 경우에는 항상 특정의 (경우에 따라서는 실질적으로 일정한) 압력을 하나 이상의 배터리 셀에 가하기 위하여, 횡축을 따라 팽창하도록 그리고/또는 수축하도록 설계된 배터리 모듈이 설명된다. 이로써, 배터리 모듈의 높은 수준의 성능이 신뢰할 수 있는 방식으로 가능해질 수 있다.
배터리 모듈은, 직접 서로 나란히 배열된 2개의 배터리 셀 사이에 횡축을 따라 이동 가능하게 장착된 프레임을 각각 구비할 수 있다. 배터리 모듈의 가급적 원활한 작동을 가능하게 하기 위하여, 팽창의 경우에 또는 수축의 경우에는 배터리 셀이 개별 프레임을 통과해서 안내될 수 있다.
배터리 모듈은, 2개의 압력 플레이트 중 제1 (이동 가능하게 장착된) 압력 플레이트를 2개의 압력 플레이트 중 제2 (이동 불가능하게 장착된) 압력 플레이트 쪽으로 밀도록 그리고/또는 당기도록 설계된 하나 이상의 압력 요소를 포함할 수 있으며, 그 결과 2개의 압력 플레이트에 의해 하나 이상의 배터리 셀에 압축력이 가해지게 된다. 이때, 압력 요소는 하나 이상의 탄성 요소(예컨대 스프링)를 포함할 수 있다. 이로써, 하나 이상의 배터리 셀에 가해지는 압축력이 특히 효율적이고 신뢰할 수 있는 방식으로 야기될 수 있다.
압력 요소는 하나 이상의 표면 형상의 또는 밴드 형상의 인장 요소, 특히 고무 인장 밴드 및/또는 코일 스프링을 포함할 수 있으며, 이 인장 요소는, 제1 압력 플레이트를 제2 압력 플레이트 쪽으로 당기도록 설계되어 있다. 표면 형상의 또는 밴드 형상의 인장 요소는, 예를 들어 2개의 압력 플레이트를 서로 연결하여 함께 당기는 탄성 앵커를 형성할 수 있다. 이로써, 하나 이상의 배터리 셀에 가해지는 압축력이 특히 효율적이고 신뢰할 수 있는 방식으로 야기될 수 있다.
대안적으로 또는 보완적으로, 압력 요소는 하나 이상의 스프링, 특히 리프 스프링(leaf spring), 압축 스프링, 레그 스프링(leg spring) 및/또는 디스크 스프링(disc spring)을 포함할 수 있으며, 이 스프링은, 제1 압력 플레이트를 제2 압력 플레이트 쪽으로 밀도록 설계되어 있다. 이때, 스프링은 배터리 모듈용 캐리어와 제1 압력 플레이트 사이에 배열될 수 있다. 이로써, 하나 이상의 배터리 셀에 가해지는 압축력이 특히 효율적이고 신뢰할 수 있는 방식으로 야기될 수 있다.
압력 요소는, 특히 횡축에 대해 비스듬하게 스프링을 배열함으로써 그리고/또는 레버를 사용함으로써, 스프링에 의해 제1 압력 플레이트에 가해지는 힘이 2개 압력 플레이트 사이의 간격에 따라 변하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 압력 요소는, 제1 압력 플레이트와 연결된 캠에 작용하는 하나의 레그를 갖는 레그 스프링을 구비할 수 있다. 대안적으로 또는 보완적으로, 압력 요소는 토글 레버를 통해 제1 압력 플레이트에 작용하는 압축 스프링을 포함할 수 있다. 이로써, 배터리 모듈의 성능을 더욱 높이기 위하여, 하나 이상의 배터리 셀의 팽창에 따라 압력 요소에 의해 제1 압력 플레이트를 거쳐서 하나 이상의 배터리 셀에 가해지는 힘의 파형이 특히 정밀한 방식으로 조정될 수 있다.
또 다른 일 양태에 따르면, 본 문서에 기술된 배터리 모듈 중 하나 이상을 포함하는 (도로-)자동차(특히 승용차 또는 트럭 또는 버스 또는 모터사이클)가 기술되어 있다. 차량은 특히 복수의 배터리 모듈을 포함할 수 있으며, 이들 배터리 모듈은 예를 들어 부분적으로 서로에 대해 직렬로 그리고/또는 병렬로 배열될 수 있다. 또한, 차량은, 하나 이상의 배터리 모듈이 고정되어 있는 하나 이상의 캐리어를 포함할 수 있다.
차량은 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈은, 제1 배터리 모듈 내에서 그리고/또는 제2 배터리 모듈 내에서 개별 배터리 모듈의 2개 압력 플레이트 사이의 간격이 증가하면, 제1 배터리 모듈의 이동 가능하게 장착된 압력 플레이트와 제2 배터리 모듈의 이동 가능하게 장착된 압력 플레이트 사이의 간격이 감소하는 방식으로 차량 내에 배열될 수 있다.
제1 배터리 모듈 및 제2 배터리 모듈은 하나의 공통 압력 요소를 구비할 수 있으며, 이 압력 요소는, 제1 배터리 모듈의 하나 이상의 배터리 셀에 가해지는 압축력 및 제2 배터리 모듈의 하나 이상의 배터리 셀에 가해지는 압축력을 야기하기 위하여, 제1 배터리 모듈의 이동 가능하게 장착된 압력 플레이트에 그리고 제2 배터리 모듈의 이동 가능하게 장착된 압력 플레이트에 작용한다. 이로써, 복수의 배터리 모듈이 특히 효율적인 방식으로 하나의 차량 내에 제공될 수 있다.
또 다른 일 양태에 따르면, 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 브레이싱하기 위한 방법이 설명된다. 이 방법은, 2개 압력 플레이트 사이의 간격이 하나 이상의 배터리 셀의 공간적 확장의 변화로 인해 특정 간격 범위 안에서 횡축을 따라 변할 수 있도록, 하나 이상의 배터리 셀을 2개의 압력 플레이트 사이에 배터리 모듈의 횡축을 따라 서로 나란히 배열하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 총 간격 범위 안에서 하나 이상의 배터리 셀에 가해지는 압축력을 야기하는 단계를 더 포함한다. 이때, 압축력은 2개의 압력 플레이트에 의해서 (그리고 하나 이상의 압력 요소를 참조해서) 야기될 수 있다. 다른 말로 표현하자면, 이 방법의 틀 안에서는, 하나 이상의 배터리 셀에 가해지는 압축력이 총 간격 범위 안에서 야기될 수 있다. 이때, 압축력은, 하나 이상의 압력 요소를 사용하여 압력 플레이트를 거쳐서 하나 이상의 배터리 셀에 가해질 수 있다.
본 문서에 기술된 방법, 장치 및 시스템은 단독으로뿐만 아니라 본 문서에 기술된 다른 방법, 장치 및 시스템과 조합해서도 사용될 수 있다. 또한, 본 문서에 기술된 방법, 장치 및 시스템의 각각의 양태들은 다양한 방식으로 서로 조합될 수 있다. 특히, 청구항들의 특징부들은 다양한 방식으로 서로 조합될 수 있다.
이하에서는, 본 발명이 실시예들을 참조하여 더욱 상세하게 설명된다. 도면부에서,
도 1a는 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리 또는 배터리 모듈을 갖는 예시적인 차량을 도시하며,
도 1b는 차량 내에 장착되는 배터리 모듈의 예시적인 장착 상태를 도시하고,
도 2는 배터리 모듈의 배터리 셀의 공간적 팽창을 가능하게 하는 배터리 모듈의 예시적인 장착 상태를 도시하며,
도 3a 내지 도 3c는 예시적인 탄성 압력 요소를 갖는 배터리 모듈의 상이한 도면을 도시하고,
도 4a 내지 도 4e는 상이하게 설계된 탄성 압력 요소를 도시하며, 그리고
도 5는 배터리 모듈을 브레이싱하기 위한 예시적인 방법의 흐름도를 도시한다.
서두에 언급된 바와 같이, 본 문서는, 배터리 모듈의 상이한 작동 상태에서 전기 배터리 모듈의, 특히 고체 배터리의 배터리 셀의 기계적 응력에 대한 조건을 효율적이고 정확하게 설정하는 것을 다루고 있다. 이와 관련하여, 도 1a는, 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리 모듈(110) 및 배터리 모듈(110)로부터의 전기 에너지로 작동되는 전기 구동 모터(105)를 갖는 예시적인 차량(100)을 보여준다. 이 경우, 배터리 모듈(110)은 전형적으로 차량(100) 내의 배터리 하우징(이 하우징은 필요에 따라 복수의 배터리 모듈(110)을 둘러싸고 있음) 내부에 설치되어 있다.
도 1b는, 차량(100) 내에 장착된 배터리 모듈(110)의 예시적인 장착 상태를 도시한다. 차량(100)은, 차량(100)의 종축을 따라 정렬된 (적어도 또는 정확하게) 2개의 세로 캐리어(101)를 구비할 수 있다. 이들 세로 캐리어 사이에는, 차량(100)의 횡축을 따라 정렬된 가로 캐리어(102)가 배열될 수 있다. 배터리 모듈(110)은, 차량(100)의 하나 이상의 세로 캐리어(101) 상에 그리고/또는 하나 이상의 가로 캐리어(102) 상에 장착될 수 있다.
배터리 모듈(110)은 하나 이상의 배터리 셀(111), 특히 파우치 셀을 포함한다. 평탄한 개별 배터리 셀(111)은, 일 배터리 셀(111)의 표면이, 특히 일 배터리 셀(111)의 개별 층이 차량(100)의 종축에 의해 그리고 수직축에 의해 설정된 평면 내부에 배열되도록, 차량(100) 내에 배열될 수 있다. 이 경우, 개별 배터리 셀(111)은 차량(100)의 횡축을 따라 서로 나란히 배열되어 있다. 따라서, 배터리 셀(111)의 두께는 차량(100)의 횡축을 따라 연장된다.
배터리 모듈(110)은 2개의 압력 플레이트(112, 114)를 구비하며, 이들 압력 플레이트 사이에 하나 이상의 배터리 셀(111)이 배열되어 있다. 이때, 개별 압력 플레이트(112, 114)는 각각 차량(100)의 종축에 의해 그리고 수직축에 의해 설정된 평면에 배열되어 있다. 2개의 압력 플레이트(112, 114)는 앵커(113)를 통해 서로 연결되어 있으며, 이 경우 개별 앵커(113)는 차량(100)의 횡축을 따라 연장된다. 앵커(113)를 통해서는, 압력 플레이트(112, 114) 사이에 놓여 있는 하나 이상의 배터리 셀(111)에 가해지는 압력을 야기하기 위하여, 압력 플레이트(112, 114)가 함께 당겨질 수 있다. 예를 들어, 앵커(113)에 의해서는, 개별 배터리 셀(111)에 가해지는 대략 10 bar의 압력이 야기될 수 있다. 개별 배터리 셀(111)에 가해지는 압력은 배터리 셀(111)의 신뢰할 수 있는 작동을 위해 필요할 수 있다.
개별 배터리 셀(111)은, 특히 고체 전해질을 갖는 리튬-이온 셀의 경우에서와 같이, 충전 프로세스 동안에는 팽창하도록 그리고/또는 방전 프로세스 동안에는 수축하도록 설계될 수 있다. 이때, 팽창 및/또는 수축은 특히 (차량(100) 또는 배터리 모듈(110)의 횡축을 따라) 개별 배터리 셀(111)의 두께 변화를 야기할 수 있다. 예를 들어, 개별 배터리 셀(111)의 두께는 방전 상태와 충전 상태 사이에서 대략 10%만큼 변할 수 있다.
두께의 변화는, 압력 플레이트(112, 114)를 통해 개별 배터리 셀(111)에 또는 개별 배터리 셀 내부에 가해지는 압력 또는 응력의 상응하는 변화를 유도한다. 특히, 배터리 모듈(110)을 충전할 때에는 압력 또는 응력이 증가할 수 있는 한편, 배터리 모듈(110)을 방전할 때에는 압력 또는 응력이 감소할 수 있다. 결과적으로, 배터리 모듈(110)의 동작 상태에 따라 개별 배터리 셀(111)의 기계적 응력 조건이 변경되며, 이와 같은 상황은 배터리 모듈(110)의 성능에 대해 부정적인 영향을 초래할 수 있다.
도 2는, 배터리 모듈(110)의 작동 중에 배터리 모듈(110)의 부피 변화를 가능하게 하는 배터리 모듈(110)의 예시적인 장착 상태를 보여준다. 특히, 도 2에 도시된 장착 상태는, (차량(100) 또는 배터리 모듈(110)의 횡축을 따라) 배터리 모듈(110)의 개별 배터리 셀(111)의 두께 변화를 가능하게 한다. 도 2에 도시된 예에서, 배터리 모듈(110)의 제2 압력 플레이트(114)는 하나 이상의 고정 베어링을 통해 캐리어(101, 102)와 단단히 연결되어 있다. 다른 한편으로는, 배터리 모듈(110)의 마주 놓여 있는 제1 압력 플레이트(112)가 하나 이상의 플로팅 베어링(floating bearing)을 통해 캐리어(102) 상에, 특히 가로 캐리어 상에 이동 가능하게 장착되어 있음으로써, 결과적으로 이동 가능하게 장착된 제1 압력 플레이트(112)는 고정적으로 장착된 제2 압력 플레이트(114) 쪽으로 그리고/또는 고정적으로 장착된 제2 압력 플레이트(114)로부터 멀어지도록 이동할 수 있게 된다(그리고 이로써 개별 배터리 셀(111)의 두께 변화가 가능해진다).
2개의 압력 플레이트(112, 114)는, (횡축을 따라) 배터리 모듈(110)의 전체 두께의 변화를 가능하게 하기 위하여, 가변적인 길이를 갖는 앵커(113)를 통해 서로 연결될 수 있다. 특히, 앵커(113)는, 배터리 모듈(110)의 팽창에 상응하게 팽창하도록 그리고 이 경우 필요에 따라서는 개별 배터리 셀(111)에 실질적으로 일정한 압력을 가하도록 설계될 수 있다(이상적으로 이 압력은 앵커(113)의 팽창과 무관함). 이 목적을 위해, 개별 앵커(113)는 하나 이상의 탄성 인장 요소를 구비할 수 있다(또는 하나 이상의 탄성 인장 요소로서 형성될 수 있다).
도 3a 내지 도 3c는, 2개의 압력 플레이트(112, 114)가 2개의 마주 놓인 에지에서 각각 하나의 인장 요소(313)를 통해, 예를 들어 각각 하나의 탄성 (고무-)밴드를 통해 서로 연결되어 있는 배터리 모듈(110)의 상이한 도면들을 보여준다. 인장 요소(313)는, 배터리 셀(111)의 팽창을 가능하게 하기 위하여 팽창하도록 또는 수축하도록 설계되어 있다. 도 3a 내지 도 3c에 도시된 예에서, 개별 배터리 셀(111)은 각각 셀 프레임(311) 내에 배열되어 있으며, 이 경우 셀 프레임(311)은 개별 배터리 셀(111)이 팽창할 때에는 상호 멀어지도록 이동할 수 있고, 개별 배터리 셀(111)이 수축할 때에는 서로를 향해 이동할 수 있다. 개별 배터리 셀(111)은 (예를 들어, 개별 배터리 셀(111)의 직렬 접속을 구현하기 위해) 셀 접점(315)을 통해 서로 전기 전도성으로 연결되어 있다.
도 3a는, 양측으로부터 배터리 모듈(110)을 바라보고 도시한 도면을 보여준다(다시 말해, 도 3a에서 수직축은 세로축에 상응하고, 횡축은 수평축에 상응함). 도 3b는, 도 3a에 화살표에 의해 표시된 배터리 모듈(110)의 단면을 보여준다. 도 3c는, 세로축이 수직축에 상응하고, 수평축이 종축에 상응하는 배터리 모듈(110)의 단면을 보여준다. 도 3c에서는, 횡축을 따라 배터리 모듈(110)의 팽창 및/또는 수축을 가능하게 하기 위하여, 배터리 모듈(110)이 어떻게 차량(100)의 가로 캐리어(102)에 이동 가능하게 장착되어 있는지가 명확하게 설명된다.
따라서, 적합한 재료(예컨대 고무)로 이루어진 평탄한 인장 요소(313)가 사용될 수 있으며, 이와 같은 인장 요소는 (경우에 따라 거의) 일정한 힘(예컨대 셀 표면에 대해 10 bar의 압력)에서 10%의 셀 길이 변화 또는 셀 두께 변화를 가능하게 한다. 인장 요소(313)는, 예를 들어 10%의 셀 길이 변화 또는 셀 두께 변화에서 야기되는 힘이 힘 평균값으로부터 최대 10%만큼 또는 최대 20%만큼 벗어나도록 설계될 수 있다. 인장 요소(313)는, 배터리 모듈(110) 상에 배열된 압력 플레이트(112, 114)와 형상 결합 방식으로 그리고/또는 강제 결합 방식으로 연결될 수 있다. 10%의 셀 길이 변화 또는 셀 두께 변화는 일 배터리 모듈(110)의 고정 장착/부동 장착 배열에 의해서 가능해질 수 있다.
셀(111)은 프레임(311) 내에 저장될 수 있으며, 이 경우 개별 프레임(311)은, 이들 프레임이 서로에 대해 가이드부를 형성하도록 적층 될 수 있다. 2개의 프레임(311) 사이에는 각각 하나의 셀(111)이 배열될 수 있다. 따라서, 모듈(110)당 프레임(311)의 수는 셀(111)의 수보다 1만큼 더 적을 수 있다. 2개의 압력 플레이트(112, 114)는 각각 시작 프레임 및 종료 프레임을 형성할 수 있다. 필요한 경우, 개별 셀(111) 사이에는 (예컨대 접착제로서의 또는 느슨한 중간층으로서의) 중간층이 각각 하나씩 배열될 수 있으며, 이 중간층은, 셀(111)의 상대적인 이동으로 인한 전단 응력을 흡수하도록 그리고/또는 가급적 균일한 압력 분포를 가능하게 하도록 설계되어 있다. 이때, 전단 응력은, 특히 개별 셀(111)의 팽창이 모든 공간 방향으로 이루어짐으로써 야기될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 인장 요소는 일반적으로, 압력 플레이트(112, 114)를 통해 하나 이상의 셀(111)에 압력을 가하도록 설계된 압력 요소(313)로서 지칭될 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는, 배터리 모듈(110) 또는 개별 배터리 셀(111)에 대해 (적어도 거의) 일정한 압력이 가해질 때에 배터리(110)의 팽창을 가능하게 하는 압력 요소(313)의 상이한 디자인을 도시한다. 도 4a는, 인장 요소(313)로서 사용되는 하나 이상의 코일 스프링의 용도를 도시한다. 이때, 코일 스프링은, 배터리 셀(111)에 가해지는 힘을 야기하기 위하여, 배터리 모듈(110)의 팽창되지 않은 상태에서 이미 특정의 초기 응력(예컨대 50%의 연신율)을 가질 수 있다.
도 4b는, 배터리 셀(111) 내부에서 응력을 야기하기 위한 압력 요소(313)로서 사용되는 리프 스프링의 용도를 보여준다. 느슨하게 장착된 제1 압력 플레이트(112)에 압력을 가하기 위하여, 리프 스프링은 예를 들어 배터리 모듈(110)의(112) (세로) 캐리어(101)와 느슨하게 장착된 제1 압력 플레이트(12) 사이에 배열될 수 있다. 따라서, 리프 스프링은 일측에서는 캐리어(101)에 대하여 지지되고, 다른 측에서는 제1 압력 플레이트(112)에 대하여 지지 된다. 도 4b에 도시된 예에서, 차량 중앙(401)에는, 배터리 모듈(110)을 장착하기 위한, 특히 제2 압력 플레이트(114)를 장착하기 위한 고정 베어링(314)이 배열될 수 있다. 도 4b에 도시된 배터리 배열은 차량(100)의 다른 절반에서는 거울 방식으로 배열될 수 있다. 리프 스프링에 대해 대안적으로 또는 보완적으로, 디스크 스프링이 사용될 수 있다.
도 4c는, 제1 압력 플레이트(112)에 압력을 가하기 위하여, (세로) 캐리어(101)와 느슨하게 장착된 제1 압력 플레이트(112) 사이에 배열된 (압력 요소(313)로서의) 압축 스프링(402)의 용도를 보여준다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 압축 스프링(402)이 횡축에 대해 비스듬하게 쌍으로 배열될 수 있음으로써, 결과적으로 배터리 모듈(110)이 팽창할 때에는 힘 벡터가 변경되고, 경우에 따라서는 퇴행적인 힘 파형을 가능하게 한다(배터리 모듈(111)이 팽창할 때에는 압축 스프링(402)이 측방으로 기울어짐으로써, 결과적으로 압축 스프링(402)의 힘 비율은 배터리 모듈(110)의 팽창 진행 방향으로 축소된다). 따라서, 제1 압력 플레이트(112)에 작용하는 힘의 파형은 압축 스프링(402)의 각도에 의해서 조정될 수 있다.
도 4d는, 차량 중앙(401)을 기준으로 양측에서의 배터리 모듈(110)의 배열을 도시한다. 도 4d에 도시된 배터리 모듈(110)에서는, 배터리 모듈(110)의 팽창이 차량 중앙(401) 쪽으로 이루어진다. 따라서, 2개 배터리 모듈(110)의 느슨하게 장착된 제1 압력 플레이트(112)는 차량 중심(401)을 향하게 된다. 2개의 배터리 모듈(110) 사이에는 하나의 (공통) 압축 스프링(402)이 배열되어 있고, 이 압축 스프링은, 토글 레버(403)를 통해 2개 배터리 모듈(110)의 느슨하게 장착된 제1 압력 플레이트(112)에 각각 힘을 가하도록 설계되어 있다. 토글 레버(403)를 통해서는, 특히 팽창의 크기가 증가함에 따라 퇴행적인 힘 파형을 제공하기 위하여, 힘 벡터가 배터리 모듈(110)의 팽창 진행 방향으로 팽창의 크기에 따라 변경될 수 있다.
도 4e는, 배터리 모듈(110)의 팽창을 가능하게 하는 동시에 느슨하게 장착된 제1 압력 플레이트(112)에 힘을 가하기 위해 (압력 요소(313)로서의) 레그 스프링(405)이 사용되는 예를 보여준다. 도 4e는, 배터리 모듈(110)의 팽창 상태에서 제1 압력 플레이트(112)의 위치를 예시적으로 보여준다(파선으로 도시된 압력 플레이트(112)). 레그 스프링(405)의 레그는 압력 플레이트(112)의 압력 플레이트 고정 캠(406) 상에 지지될 수 있다. 배터리 모듈(110)이 팽창될 때에 변하는 하나 이상의 레그 스프링(405)의 레버 길이를 통해서는, 배터리 모듈(110)의 팽창 크기가 증가함에 따라 퇴행적인 힘 파형이 야기될 수 있다.
도 5는, 배터리 모듈(110)을 브레이싱하기 위한 예시적인 방법(500)의 흐름도를 보여주며, 이 경우 배터리 모듈(110)은 하나 이상(예를 들어 10개 이상 또는 50개 이상)의 배터리 셀(111)을 포함한다.
방법(500)은, 2개 압력 플레이트(112, 114) 사이의 간격이 하나 이상의 배터리 셀(111)의 공간적 확장의 변화로 인해 특정 간격 범위 안에서 횡축을 따라 변할 수 있도록, 하나 이상의 배터리 셀(111)을 2개의 압력 플레이트(112, 114) 사이에 배터리 모듈(110)의 횡축을 따라 서로 나란히 배열하는 단계 501을 포함한다. 하나 이상의 배터리 셀(111)의 확장은, 하나 이상의 배터리 셀(111)의 팽창에 의해서 (충전 프로세스 중에) 증가할 수 있으며 그리고/또는 하나 이상의 배터리 셀(111)의 수축에 의해서 (방전 프로세스 중에) 감소할 수 있다. 간격 범위는 하나 이상의 배터리 셀(111)의 최소 확장(방전 상태에서)과 최대 확장(충전 상태에서) 사이에서 연장될 수 있다.
방법(500)은, 2개의 압력 플레이트(112, 114)에 의해 또는 2개의 압력 플레이트(112, 114)를 통해, 총 간격 범위 안에서 하나 이상의 배터리 셀(111)에 가해지는 압축력을 야기하는 단계 502를 더 포함한다. 따라서, 총 간격 범위에 걸쳐 하나 이상의 배터리 셀(111)에는 (경우에 따라 실질적으로 일정한) 압력이 가해질 수 있다.
본 문서에 기술된 조치에 의해서는, 개별 배터리 셀(111)의 조정 가능한 압력 또는 응력 조건에 따라 배터리 모듈(110)의 팽창이 가능해질 수 있다. 이로써, 배터리 모듈(110)의 성능이 증가할 수 있다.
본 발명은 도시된 예시적인 실시예들에 한정되지 않는다. 특히, 상세한 설명 및 각각의 도면은 다만 제안된 방법, 장치 및 시스템의 원리를 예시적으로 설명하기 위한 것에 불과하다는 사실에 유의해야 한다.

Claims (16)

  1. 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리 모듈(110)로서,
    - 상기 배터리 모듈(110)은, 2개의 압력 플레이트(112, 114) 사이에 배터리 모듈(110)의 횡축을 따라 서로 나란히 배열된 하나 이상의 배터리 셀(111)을 포함하고;
    - 상기 배터리 모듈(110)은,
    - 2개 압력 플레이트(112, 114) 사이의 간격이 특정 간격 범위 안에서 변할 수 있음으로써, 결과적으로 횡축을 따라 하나 이상의 배터리 셀(111)의 공간적 확장의 변화가 가능해지도록, 그리고
    - 2개의 압력 플레이트(112, 114)에 의해 총 간격 범위 안에서 하나 이상의 배터리 셀(111)에 압축력이 가해지도록
    설계되어 있는, 전기 에너지를 저장하기 위한 배터리 모듈(110).
  2. 제1항에 있어서,
    - 상기 하나 이상의 배터리 셀(111)은 방전 상태에서는 횡축을 따라 최소의 총 확장을 가지며;
    - 상기 하나 이상의 배터리 셀(111)은 충전 상태에서는 횡축을 따라 최대의 총 확장을 가지며;
    - 상기 최대 총 확장은 특히 상기 최소 총 확장보다 5% 내지 15% 위에 놓여 있으며; 그리고
    - 상기 간격 범위는 아래로는 상기 최소 총 확산에 의해서 그리고 위로는 상기 최대 총 확산에 의해서 한정되는, 배터리 모듈(110).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배터리 모듈(110)은, 2개의 압력 플레이트(112, 114)에 의해, 총 간격 범위 안에서 최대 20%만큼, 특히 최대 10%만큼 변하는 압축력이 하나 이상의 배터리 셀(111)에 가해지도록 설계되어 있는, 배터리 모듈(110).
  4. 제1항에 있어서,
    - 상기 배터리 모듈(110)은, 2개의 압력 플레이트(112, 114)에 의해 하나 이상의 배터리 셀(111)에 압축력이 가해짐으로써, 결과적으로 총 간격 범위 안에서 하나 이상의 배터리 셀(111)에 가해지는 최소 압력은 미달하지 않도록 그리고/또는 하나 이상의 배터리 셀(111)에 가해지는 최대 압력은 초과하지 않도록 설계되어 있으며; 그리고
    - 상기 최소 압력은 특히 8 bar이며 그리고/또는 상기 최대 압력은 특히 12 bar인, 배터리 모듈(110).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리 모듈(110)은, 2개의 압력 플레이트(112, 114) 중 제1 압력 플레이트(112)를 2개의 압력 플레이트(112, 114) 중 제2 압력 플레이트(114) 쪽으로 밀도록 그리고/또는 당기도록 설계된 하나 이상의 압력 요소를 포함하며, 그 결과 2개의 압력 플레이트(112, 114)에 의해 하나 이상의 배터리 셀(111)에 압축력이 가해지는, 배터리 모듈(110).
  6. 제5항에 있어서, 상기 압력 요소(313)는 하나 이상의 표면 형상의 또는 밴드 형상의 인장 요소, 특히 고무 인장 밴드 및/또는 코일 스프링을 포함하며, 상기 인장 요소는, 제1 압력 플레이트(112)를 제2 압력 플레이트(114) 쪽으로 당기도록 설계되어 있는, 배터리 모듈(110).
  7. 제5항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 요소(313)는 하나 이상의 스프링, 특히 리프 스프링, 압축 스프링, 레그 스프링 및/또는 디스크 스프링을 포함하며, 상기 스프링은, 제1 압력 플레이트(112)를 제2 압력 플레이트(114) 쪽으로 밀도록 설계되어 있는, 배터리 모듈(110).
  8. 제7항에 있어서, 상기 압력 요소(313)는, 특히 횡축에 대해 비스듬하게 스프링을 배열함으로써 그리고/또는 레버(403)를 사용함으로써, 스프링에 의해 제1 압력 플레이트(112)에 가해지는 힘이 2개 압력 플레이트(112, 114) 사이의 간격에 따라 변하도록 설계될 수 있는, 배터리 모듈(110).
  9. 제7항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 요소(313)는, 제1 압력 플레이트(112)와 연결된 캠(406)에 작용하는 하나의 레그를 갖는 레그 스프링을 구비하는, 배터리 모듈(110).
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 요소(313)는 토글 레버(403)를 통해 제1 압력 플레이트(112)에 작용하는 압축 스프링을 포함하는, 배터리 모듈(110).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리 모듈(110)은, 2개의 압력 플레이트(112, 114) 중 제1 압력 플레이트(112)가 이동 가능하게 장착되도록 그리고 2개의 압력 플레이트(112, 114) 중 제2 압력 플레이트(114)가 이동 불가능하게 장착되도록 설계되어 있는, 배터리 모듈(110).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리 모듈(110)은, 직접 서로 나란히 배열된 2개의 배터리 셀(111) 사이에 횡축을 따라 이동 가능하게 장착된 프레임(311)을 각각 구비하는, 배터리 모듈(110).
  13. 차량(100)으로서, 상기 차량은
    - 하나 이상의 캐리어(101, 102); 및
    - 상기 캐리어(101, 102) 상에 장착된, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 배터리 모듈(110)
    을 포함하는, 차량(100).
  14. 제13항에 있어서,
    - 상기 차량(100)은 제1 배터리 모듈(110) 및 제2 배터리 모듈(110)을 포함하며; 그리고
    - 상기 제1 배터리 모듈(110) 및 상기 제2 배터리 모듈(110)은, 제1 배터리 모듈(110) 내에서 그리고/또는 제2 배터리 모듈(110) 내에서 개별 배터리 모듈(110)의 2개 압력 플레이트(112, 114) 사이의 간격이 증가하면, 제1 배터리 모듈(110)의 이동 가능하게 장착된 압력 플레이트(112)와 제2 배터리 모듈(110)의 이동 가능하게 장착된 압력 플레이트(112) 사이의 간격이 감소하는 방식으로 차량(100) 내에 배열되어 있는, 차량(100).
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 배터리 모듈(110) 및 상기 제2 배터리 모듈(110)은 하나의 공통 압력 요소(313)를 구비하며, 상기 압력 요소는, 제1 배터리 모듈(110)의 하나 이상의 배터리 셀(111)에 가해지는 압축력 및 제2 배터리 모듈(110)의 하나 이상의 배터리 셀(111)에 가해지는 압축력을 야기하기 위하여, 상기 제1 배터리 모듈(110)의 이동 가능하게 장착된 압력 플레이트(112)에 그리고 상기 제2 배터리 모듈(110)의 이동 가능하게 장착된 압력 플레이트(112)에 작용하는, 차량(100).
  16. 배터리 모듈(110)을 브레이싱(bracing)하기 위한 방법(500)으로서; 상기 배터리 모듈(110)은 하나 이상의 배터리 셀(111)을 포함하며; 상기 방법(500)은,
    - 2개 압력 플레이트(112, 114) 사이의 간격이 하나 이상의 배터리 셀(111)의 공간적 확장의 변화로 인해 특정 간격 범위 안에서 횡축을 따라 변할 수 있도록, 하나 이상의 배터리 셀(111)을 2개의 압력 플레이트(112, 114) 사이에 배터리 모듈(110)의 횡축을 따라 서로 나란히 배열하는 단계 501; 및
    - 2개의 압력 플레이트(112, 114)에 의해, 총 간격 범위 안에서 하나 이상의 배터리 셀(111)에 가해지는 압축력을 야기하는 단계 502
    를 포함하는, 배터리 모듈(110)을 브레이싱하기 위한 방법(500).
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