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KR20150138198A - 충전식 배터리 - Google Patents

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KR20150138198A
KR20150138198A KR1020157025792A KR20157025792A KR20150138198A KR 20150138198 A KR20150138198 A KR 20150138198A KR 1020157025792 A KR1020157025792 A KR 1020157025792A KR 20157025792 A KR20157025792 A KR 20157025792A KR 20150138198 A KR20150138198 A KR 20150138198A
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KR
South Korea
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transverse member
frame
battery
frame element
elements
Prior art date
Application number
KR1020157025792A
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English (en)
Inventor
마르쿠스 코레스
헤럴드 스투에츠
올리버 우렘
Original Assignee
아베엘 리스트 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 아베엘 리스트 게엠베하 filed Critical 아베엘 리스트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 프레임 요소(120, 120') 내에 배치되는 적어도 하나의, 바람직하게는 복수의 배터리 셀(110, 110')을 포함하는 충전식 배터리(100)로서, 상기 프레임 요소(120, 120')는 발포 재료로 이루어지는 베이스체를 포함하고, 상기 프레임 요소(120, 120')는 각각 제 1 횡단 부재(121, 121'), 상기 제 1 횡단 부재(121, 121')의 반대측의 제 2 횡단 부재(122, 122'), 및 2 개의 서로 마주보는 길이방향 부재(123, 123')를 포함하고, 제 1 프레임 요소(120)의 제 1 횡단 부재(121)는 인접하는 제 2 프레임 요소(120')의 제 2 횡단 부재(122') 상에 실질적으로 폼-피트 방식으로 배치될 수 있는, 충전식 배터리 및 이 목적을 위한 방법에 관한 것이다.

Description

충전식 배터리{RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 발포 재료로 이루어지는 베이스체를 포함하는 프레임 요소에 배치되는 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 배터리 셀을 포함하는 충전식 배터리로서, 프레임 요소는 각각 제 1 횡단 부재, 제 1 횡단 부재의 반대측의 제 2 횡단 부재, 및 2 개의 서로 마주보는 길이방향 부재를 포함하는, 충전식 배터리에 관한 것이다.
충전식 배터리, 즉 소위 축전지는 모든 기술 분야에서 발견될 수 있다. 자동차 산업에서, 이와 같은 충전식 배터리는 대안적인 구동 시스템용으로 사용되고, 이러한 분야에서는 전력, 작동상의 신뢰성 및 사용된 배터리 셀의 유지보수에 관한 높은 요구가 부과된다. 특히, 이와 같은 배터리의 중량 및 크기는 자동차에서 작동되는 경우에 그 효율의 관련 인자이기도 하다. 이러한 경우에 사용되는 충전식 배터리는 통상적으로 셀 적층체, 소위 모듈 내에서 결합 및 스위칭되는 복수의 배터리 셀로 이루어진다. 이와 같은 셀은 특히 소위 파우치(pouch) 셀이 사용되는 경우에 기계적 응력 및 진동에 관하여 민감하므로, 이와 같은 셀은 종래 기술에 따른 강성(stiff)의 셀 프레임에 고정되고, 이러한 프레임은 셀 적층체 내로 연속하여 위치된다. 더욱이, 발생하는 전기화학적 반응에 기인되어 충전 사이클 및 재충전 사이클 중에 상기 셀 내에서 두께 변화가 발생하고, 이것은 셀 적층체 내에서 보상되어야 한다. 유사하게, 제조 허용오차의 보상이 필요할 수 있다.
셀 프레임 내에 배터리 셀의 배열은, 예를 들면, WO　2011/057815　A1 또는 DE　10　2010　051　010　A1 내에 개시되어 있다. 이러한 해결책은 자동차에서 발생하는 기계적 응력 또는 작동 중의 자체의 두께 변화에 불충분하게 대항할 수 있을 뿐이므로 소위 파우치 셀을 위해 제한적으로만 사용될 수 있다.
발포 프레임 요소 내에 배치되는 배터리 셀은 US　2007/259258　A1에 설명되어 있다. 또한 이와 유사한 배열이 JP　2001/273887　A에 개시되어 있다. 이들 배열은 특히 제한적으로만 파우치 셀용으로 사용될 수 있거나 전혀 사용할 수 없다.
그러므로 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 제거하고, 개선된 기계적 부하 능력을 보여주고, 간단하고, 콤팩트하고, 비용효율적인 방식으로 제조될 수 있는 위에서 언급된 종류의 충전식 배터리를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 제 1 프레임 요소의 제 1 횡단 부재가 인접하는 제 2 프레임 요소의 제 2 횡단 부재 상에 실질적으로 폼-피트(form-fit) 방식으로 배치될 수 있는 본 발명에 따라 달성된다.
이 경우, 각각의 프레임 요소의 베이스체는 발포 재료로 제조되고, 체결 요소, 냉각 채널 등과 같은 추가로 설치되는 컴포넌트를 선택적으로 포함할 수 있고, 이 컴포넌트는 상이한 재료로 제조될 수도 있다. 상기 프레임 요소는 자체의 재료를 통해 기계적 하중을 흡수하기 위해 특히 적절하고, 동시에 개개의 배터리 셀들 사이에서 전기적으로 절연되는 방식으로 작용한다. 추가의 장점은 비용효율적 생산 및 자체의 낮은 중량이다.
본 발명에 따르면, 프레임 요소는 각각 제 1 횡단 부재, 제 1 횡단 부재의 반대측의 제 2 횡단 부재, 및 2 개의 서로 마주보는 길이방향 부재를 포함하고, 제 1 프레임 요소의 제 1 횡단 부재는 인접하는 제 2 프레임 요소의 제 2 횡단 부재 상에 실질적으로 폼-피트 방식으로 배치될 수 있다. 횡단 부재의 단면은, 프레임 요소가 서로 인접하여 배치되는 경우, 횡단 부재가 공간-절약 방식으로 서로 적층되도록 선택된다. 배터리 셀은 이들 프레임 요소 내에 삽입되고, 각각의 배터리 셀의 2 개의 전기 콘택은 횡단 부재 상에 함께 배치되거나 콘택은 서로 마주보는 횡단 부재 상에 설치된다.
본 발명의 특히 바람직한 변형례에서, 제 1 횡단 부재는 실질적으로 사다리꼴 단면을 갖고, 제 2 횡단 부재는 실질적으로 삼각형 단면을 갖고, 2 개의 길이방향 부재는 직사각형 또는 정사각형 단면을 갖는 것이 바람직하다.
특정의 실시형태에서, 프레임은 또한 삼각형 횡단 부재만을 또는 사다리꼴 횡단 부재만을 포함할 수 있다. 단일의 횡단 부재가 삼각형 단면 및 또한 실질적으로 사다리꼴 단면을 갖는 변형례도 제공된다.
이 경우, 특히 바람직한 방식으로, 2 개의 인접하는 프레임 요소는 제 1 프레임 요소의 제 1 횡단 부재가 제 2 프레임 요소의 제 2 횡단 부재에 인접하여 배치되도록 서로에 대해 배치되고, 2 개의 횡단 부재는 배터리 셀의 평평한 전기 콘택에 의해 적어도 부분적으로 서로 분리된다. 그 결과, 사다리꼴 단면을 갖는 제 1 횡단 부재는 배터리 셀의 전극 콘택의 적어도 제 1 표면 상에 배치되고, 반면에 제 2 프레임 요소의 삼각형 단면을 갖는 제 2 횡단 부재는 제 2 배터리 셀의 제 2 전극 콘택의 표면 상에 배치된다. 프레임 요소 및 그 내부에 배치되는 배터리 셀의 특히 공간-절약형 배열은 이러한 방식으로 달성되고, 한편 동시에 전극 콘택은 인접하는 프레임 요소의 횡단 부재들 사이에 단단히 고정된다. 2 개의 인접하는 배터리 셀의 전극 콘택의 접속도 또한 이러한 방식으로 용이해진다.
2 개의 인접하는 배터리 셀의 확실한 전기적 분리를 보장하기 위해, 본 발명의 특히 바람직한 실시형태에서 프레임 요소가 절연층을 포함하는 것이 제공된다. 이것은 열적 절연층 및/또는 전기적 절연층으로서 배치될 수 있고, 선택적으로 일면 또는 양면이 자기 접착성(self-adhesive)일 수 있다. 절연층은 특히 바람직한 방식에서 프레임 요소의 제조 중에 또한 발포체-실링된 절연 포일(foil)로서 형성되고, 이것은 고정용 구조물로서 연부의 리세스를 포함하고, 그 결과 절연층은 발포체 내에 폼-피트 방식으로 매립된다. 이 경우 적절한 재료는, 예를 들면, 세라믹 복합재 재료, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌 또는 섬유-보강된 플라스틱 재료이다.
본 발명에 따른 배터리의 동작 상의 신뢰성을 향상시키기 위해, 본 발명의 특히 바람직한 실시형태에서, 2 개의 인접하는 프레임 요소들 사이에 적어도 하나의 탈기용(degassing) 개구가 제공된다. 상기 탈기용 개구는, 예를 들면, 개개의 프레임 요소 사이에 리세스로서 형성되고, 예를 들면, 배터리 셀의 외피가 찢어진 경우에 배터리 셀로부터 과잉의 압력이 누출되도록 허용한다. 이것은 인접하는 손상되지 않은 배터리 셀 또는 프레임 요소의 손상을 방지하고, 누출된 기체는 바람직하게 안내되는 방식으로 배출될 수 있다.
탄성 또는 또한 비탄성의 발포 재료로 제조된 이와 같은 프레임 요소는 본 발명에 따른 배터리에서 사용하기에 특히 적합하다는 것이 입증되었고, 여기서 발포 재료는 폴리우레탄 발포 재료, 실리콘 발포 재료, 일체로 형성된 재료, 에폭시 발포 재료 및 RIM(reaction injection moulding) 발포 재료를 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
본 발명에 따른 배터리의 동작 상의 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해, 본 발명의 추가의 실시형태에서 자기 소화성 첨가물(self-extinguishing) 및/또는 방화성 첨가물을 구비한 발포 재료가 제공된다.
본 발명은 특히 본 발명에 따라 프레임 요소가 발포체로 형성되는 방식으로 특히 충전식 배터리용의 프레임 요소의 제조 방법에 의해 제공된다. 이 목적을 위해, 통상적으로 액체인 반응성 출발 재료가 발포체 주형 내에 주입되고, 압력 및/또는 온도 하에서 선택적으로 반응하게 된다. RFP(reaction foam pouring) 및 RIM(reaction injection moulding) 방법과 같은 불연속적 방법도 사용된다.
본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 방법에서 프레임 요소의 제조 중에 추가의 기능적 요소, 특히 케이블 덕트, 냉각 라인, 절연 요소, 또는 체결 클램프와 같은 금속 부품이 주형 내에 삽입될 수 있고, 또한 발포체-실링될 수 있는 것이 제공된다.
이하에서 도면에 도시된 비제한적인 실시형태를 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리의 개략 사시도를 도시하고;
도 2는 프레임 요소 내의 배터리 셀을 정면도로 도시하고;
도 3은 프레임 요소 내의 배터리 셀을 정면도로 도시하고;
도 4는 도 3의 배터리를 단면도로 도시하고;
도 5는 본 발명에 따른 도 1 및 도 2의 배터리를 개략 측면도로 도시하고;
도 6은 삼각형 또는 사다리꼴 횡단 부재만을 포함하는 프레임의 개략 측면도를 도시하고,
도 7은 동일한 횡단 부재 상의 삼각형 단면과 사다리꼴 단면을 모두 포함하는 프레임의 개략 측면도를 도시한다.
도 1은 셀 적층체의 형태의 본 발명에 따른 배터리(100)를 도시한 것이고, 여기서 개개의 배터리 셀(110)은 프레임 요소(120)에 자체의 전극 콘택(111)을 구비한다. 본 발명에 따른 배터리(100)의 셀 적층체는 2 개의 단부 플레이트(130) 사이에 배치되고, 단부 플레이트는 관련된 프레임 요소(120)를 구비하는 개개의 배터리 셀(110)을 공지된 방식으로 서로에 대해 정위치에 고정한다. 프레임 요소(120)는 주형 내에서 비용효율적인 방식으로 제조되는 발포 재료로 제조되고, 주형은 상이한 단면의 횡단 부재(121, 122) 및 길이방향 부재(123)의 제조를 단순화할 수 있다.
이 경우, 프레임 요소(120)는 발포 재료로 제조된 베이스체로 일체로 제조될 수 있고, 또는 개개의 횡단 부재(121, 122) 및 길이방향 부재(123)는 개별적으로 제조되고, 그 후 프레임 요소(120)로 조립 및 연결된다.
도 2는 배터리 셀(110)을 정면도로 도시하고, 여기서 배터리 셀의 2 개의 전극 콘택(111)은 프레임 요소(120)의 제 1 횡단 부재(121) 상에 배치된다.
더욱이, 체결 요소(124)는 길이방향 부재(123)의 베이스체 내에 발포체-실링되고, 이 체결 요소는 개개의 배터리 셀(110)을 배터리(100)의 셀 적층체로 배열하기 위해 사용되고, 예를 들면, 금속 또는 플라스틱으로 제조된다. 횡단 부재(122)의 단부 영역에는 개개의 배터리 셀(110)을 서로에 대해 배열하기 위해 사용되는 나사산을 갖는 삽입체(125)가 포함된다.
도 3은 배터리 셀의 대안적 실시형태를 도시하고, 여기서 제 1 콘택(111a)은 제 1 횡단 부재(121)의 영영 내에 배치되고, 한편 제 2 전극 콘택(111b)은 프레임 요소(120)의 제 2 횡단 부재(122) 상에 배치된다. 냉각 매체의 통과를 위한 냉각 채널(126)은 프레임 요소(120)의 베이스체에 배치된다.
절연층(140)은 배터리 셀(110)의 표면 상에 배치되고, 이 절연층은 포일 또는 얇은 플레이트로서 형성되는 것이 바람직하고, 2 개의 인접하는 배터리 셀(5)의 서로에 대한 열적 절연 및/또는 전기적 절연을 위해 사용된다. 절연층(140)은 점선(도 2 및 도 3)으로 도시되어 있고, 굴곡된 발포체와 폼-피트 접속부를 생성하도록 연부에 리세스(141)를 보여준다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 프레임 요소(120, 120')의 제 1 횡단 부재(121, 121')는 사다리꼴 단면을 갖고, 반면에 제 2 횡단 부재(122, 122')는 삼각형 단면을 갖는다. 더욱이, 도 4는 횡단 부재(121, 121', 122, 122') 내의 냉각 채널(126)을 보여준다. 2 개의 길이방향 부재(123, 123')는 각각 본 발명이 이 실시형태에서 실질적으로 직사각형 단면을 갖는다.
특히 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 배터리 셀(110)은, 2 개의 인접하는 프레임 요소(120, 120') 사이에서, 그것의 전극 콘택(111a, 111b)이 제 1 프레임 요소(120)의 제 1 사다리꼴 횡단 부재(121')와 인접하는 프레임 요소(120')의 제 2 횡단 부재(122') 사이에 배치되도록 되어 있다. 횡단 부재(121, 121', 122, 122')의 특정의 형성 및 서로에 대한 배치로 인해, 2 개의 인접하는 배터리 셀(110, 110')의 전극 콘택(111a, 111a', 111b, 111b')은 각각 서로를 향해 굴곡되어 있으므로 접촉이 상당히 용이해진다. 개개의 프레임 요소(120, 120')의 길이방향 부재(123, 123')는 관련된 횡단 부재(121, 121', 122, 122')의 것보다 작은 폭을 가지므로, 길이방향 부재(123, 123') 사이에 탈기용 개구(150)로서 작용하는 간극형태의 길이방향 개구가 형성된다.
프레임 요소(120)의 추가의 변형례는 도 6 및 도 7에 도시되어 있고, 여기서 각각의 제 1 횡단 부재(121)는 삼각형 또는 사다리꼴 단면(도 6)을 가지고, 또는 제 1 횡단 부재(121)는 사다리꼴 단면 및 삼각형 단면(도 7)을 갖는다. 양자 모두의 경우, 제 2 횡단 부재(122)의 단면은 정사각형 또는 직사각형이고, 길이방향 부재(123)를 초과하여 돌출하지 않는다.
본 발명은 도시된 실시형태에 제한되지 않는 것으로 이해된다. 특히, 냉각 라인, 케이블 덕트 및 매우 다양한 개구와 같은 추가의 기능적 요소가 특히 프레임 요소 내에 제공될 수 있다.

Claims (9)

  1. 발포 재료로 이루어지는 베이스체를 포함하는 프레임 요소(120, 120')들 내에 배치되는 적어도 하나의, 바람직하게는 복수의 배터리 셀(110, 110')을 포함하는 충전식 배터리(100)로서, 상기 프레임 요소(120, 120')들은 각각 제 1 횡단 부재(121, 121'), 상기 제 1 횡단 부재(121, 121')의 반대측의 제 2 횡단 부재(122, 122'), 및 2 개의 서로 마주보는 길이방향 부재(123, 123')를 포함하고, 제 1 프레임 요소(120)의 상기 제 1 횡단 부재(121)는 인접하는 제 2 프레임 요소(120')의 상기 제 2 횡단 부재(122') 상에 실질적으로 폼-피트(form-fit) 방식으로 배치될 수 있는, 충전식 배터리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 횡단 부재(121, 121')는 실질적으로 사다리꼴 단면을 갖고, 상기 제 2 횡단 부재(122, 122')는 실질적으로 삼각형 단면을 갖고, 상기 2 개의 길이방향 부재(123, 123')는 바람직하게 직사각형 또는 정사각형 단면을 갖는, 충전식 배터리.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    2 개의 인접하는 상기 프레임 요소(120, 120')는 상기 제 1 프레임 요소(120)의 제 1 횡단 부재(121)가 상기 제 2 프레임 요소(120')의 제 2 횡단 부재(122')에 인접하여 배치되도록 서로에 대해 배치되고, 상기 2 개의 횡단 부재(121, 122')는 배터리 셀(110, 110')의 평평한 전기 콘택(111, 111a, 111a', 111b, 111b')에 의해 적어도 부분적으로 서로 분리되는, 충전식 배터리.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임 요소(120, 120')는 2 개의 인접하는 배터리 셀(110, 110')의 전기적 분리 및/또는 열적 분리를 위한 절연층(140)을 포함하는, 충전식 배터리.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 절연층(140)는 상기 프레임 요소(120)의 발포 재료 내의 개선된 매립을 위해 고정용 구조물(141)을 포함하는, 충전식 배터리.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 탈기용(degassing) 개구(150)가 2 개의 인접하는 프레임 요소(120, 120') 사이에 제공되는, 충전식 배터리.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임 요소(120, 120')는 폴리우레탄 발포 재료, 실리콘(silicone) 발포 재료, 일체로 형성된 재료, 에폭시 발포 재료 및 RIM(Reaction Injection Moulding) 발포 재료를 포함하는 그룹으로부터 선택되고, 바람직하게는 자기 소화성(self-extinguishing) 첨가물 및/또는 방화성 첨가물을 혼합한 탄성 또는 비탄성 발포 재료로 제조되는, 충전식 배터리.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 특히 배터리(100)용 프레임 요소(120, 120')의 제조 방법으로서, 상기 프레임 요소(120, 120')의 베이스체는 발포체로 형성되는, 배터리용 프레임 요소의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    추가의 기능적 요소, 특히 케이블 덕트, 냉각 라인(126), 절연 요소(140), 또는 체결 클램프(124)와 같은 금속 부품이 프레임 요소(120, 120')의 제조 중에 주형 내에 삽입될 수 있거나, 또한 발포체-실링될 수 있는, 배터리용 프레임 요소의 제조 방법.
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