WO2010123223A2 - 프레임 부재, 프레임 어셈블리 및 전지셀 어셈블리와 이의 제조방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a battery cell frame member, a frame assembly and a battery cell assembly and a method of manufacturing the same.
  • the present invention addresses the problem of stacking and aligning multiple battery cell support frames for serviced assemblies and the flexibility of using other cooling methods.
  • the present invention provides a frame member for embedding a battery cell.
  • the frame member includes an integral frame including an outer circumferential wall having an attachment face and a cooling face opposite thereto.
  • the frame member also has an attachment feature located on the attachment surface and a complementary coupling located on an attachment surface symmetrically opposed to the attachment relative to the plane of symmetry of the frame. And a complementary attachment feature, wherein the outer circumferential wall forms an opening having a structure in which the battery cells are mated and accommodated inside the outer circumferential wall.
  • the present invention also provides a frame member for embedding a battery cell.
  • the frame assembly includes a first unitary frame having an outer circumferential wall, the outer circumferential wall having a cooling surface opposite the attaching surface, the attachment feature located on the attaching surface, and a symmetrical surface of the frame ( a complementary attachment feature located on an attachment surface symmetrically opposed to the coupling portion with respect to a plane of symmetry; wherein the outer circumferential wall aligns the battery cells inside the outer circumferential wall; The opening of the structure which accommodates (matingly) is formed.
  • the frame assembly also includes a second unitary frame having an outer circumferential wall, the outer circumferential wall having a cooling surface opposite the attachment surface, an attachment feature located on the attachment surface, and a plane of symmetry of the frame. a complementary attachment feature located on an attachment surface symmetrically opposed to the coupling portion with respect to the plane of symmetry, wherein the outer circumferential wall includes a battery cell inside the outer circumferential wall.
  • An opening of a structure for accommodating and mating is formed.
  • the frame assembly also includes a cooling member having a first side and a second side, the first side being attached to the attachment face of the first frame and covering the first opening, the second side being attached to the attachment face of the second frame. Is attached and covers the second opening.
  • the present invention also includes a method of manufacturing a frame member for embedding a battery cell.
  • the method includes an outer circumferential wall having an attachment surface and a cooling surface opposite thereto, the coupling portion positioned on the attachment surface and on the attachment surface symmetrically opposed to the coupling portion with respect to the symmetry plane of the frame.
  • Comprising a complementary coupling portion located in the, the outer circumferential wall includes a process of forming an integral frame forming an opening of the structure for accommodating the battery cells in the outer circumferential wall.
  • the present invention also includes a method of manufacturing a frame member for embedding a battery cell.
  • the method includes an outer circumferential wall having an attachment surface and a cooling surface opposite thereto, the coupling portion positioned on the attachment surface and on the attachment surface symmetrically opposed to the coupling portion with respect to the symmetry plane of the frame.
  • Comprising a complementary coupling portion located in the, the outer circumferential wall includes a process of forming a first unitary frame forming an opening of the structure for accommodating the battery cells in the outer circumferential wall.
  • the method also includes an outer circumferential wall having an attachment surface and a cooling surface opposite it, the engagement portion located on the attachment surface and an attachment surface symmetrically opposed to the engagement portion with respect to the symmetry plane of the frame.
  • Comprising a complementary coupling portion located on the, the outer circumferential wall includes a process of forming a second integral frame forming an opening of the structure for accommodating the battery cells in the outer circumferential wall.
  • the method also includes forming a cooling member having a first side and a second side.
  • the method also includes attaching a first side of the cooling member to the attachment surface of the first frame to cover the first opening, and attaching a second side of the cooling member to the attachment surface of the second frame to cover the second opening. do.
  • the frame member, frame assembly and battery cell assembly of the present invention are designed to provide more diversified cooling of the simplified assembly and the resulting modules while providing the expected cost, structural, mechanical, thermal and other properties of the assembly. And a battery module having the material.
  • FIG. 1 is a perspective view of a frame member according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross sectional view taken along section 2-2 of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a cross sectional view taken along section 3-3 of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a cross sectional view taken along section 4-4 of FIG. 1;
  • FIG. 5 is a transverse cross-sectional view taken along section 5-5 of FIG. 1;
  • FIG. 6 is a transverse cross-sectional view taken along section 6-6 of FIG. 1;
  • FIG. 7 is a transverse cross section according to section 7-7 of FIG. 1;
  • FIG. 8 is an enlarged perspective view of region 8 of FIG. 1;
  • FIG. 9 is an enlarged perspective view of region 9 of FIG. 1;
  • FIG. 10 is a perspective view of a cooling member according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a front view of a frame assembly according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view of the frame assembly of FIG. 11;
  • FIG. 13 is a top view showing before the pair of frame members shown in FIG. 1 having respective aligned members and complementary coupling members are attached and joined;
  • FIG. 14 is a perspective view of a battery cell according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is an exploded perspective view of a frame / battery cell assembly and a battery module according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 16 is a perspective view of a frame / battery cell assembly and a battery module according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a cross sectional perspective view taken along section 17-17 of FIG. 16;
  • FIG. 18 is an enlarged transverse cross-sectional view of region 18 of FIG. 17;
  • FIG. 19 is a perspective view of a cooling member according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a perspective view of a frame assembly according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a perspective view of a cooling member according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a perspective view of a frame assembly according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a transverse cross-sectional view taken along section 23-23 of FIG. 19.
  • a frame member 10 for embedding a battery cell 100 (see FIGS. 14 to 18) is disclosed.
  • the frame member 10 includes an integrated frame 12, a coupling portion 14, and a complementary coupling portion 16.
  • the unitary frame 12 includes an outer circumferential wall 18 surrounding the frame.
  • the outer circumferential wall 18 includes a cooling surface 22 facing the attachment surface 20.
  • Opposing cooling surfaces 22 and attachment surfaces 20 form both sides of the outer circumferential wall 18.
  • the outer circumferential wall 18 also includes an opening formed to have a size and shape suitable for accommodating the cell for accommodating the battery cell 100 therein. At least one of the openings 24 and the battery cell 100 is formed to be matched to match. This provides for example a rim 26 which encloses all or part of the opening 24.
  • the unitary frame 12 also includes an alignment 28, such as a protrusion 30 in the form of a raised tab 31, or a plurality of alignments 28.
  • the unitary frame 12 also has a complementary aligning portion 32 corresponding to a plurality of aligning portions 28, such as the indentation 34 in the shape of an indentation slot 35, or A plurality of complementary alignments 32 are included.
  • the protrusion 30 extends above the adjacent portion of the attachment surface 20.
  • the indentation 34 is indented with respect to the adjacencies of the attachment surface 20.
  • Alignment 28, such as protrusion 30 in the form of raised tab 31, is indented 34 in the shape of indented slot 35 to provide alignment of adjacent frame members 10 associated with the assembly.
  • the coupling portion 14 and the complementary coupling portion 16, and the alignment portion 28 and the complementary alignment portion 32 are located on the attachment surface 20, and respective portions and the complementary portions are symmetrical surfaces 36. In order to be symmetrically opposed to each other with respect to the opposing surfaces of), it is interposed symmetrically about the symmetry plane 36.
  • This arrangement is particularly advantageous because a number of identical frame members 10 are aligned with one another and attached to each other by proper selection and symmetrical arrangement of the respective portions and complementary portions.
  • the use of the single frame member 10 includes saving the number of other parts needed for assembly of the frame assemblies and the frame / battery cell assemblies and battery modules using the frame members 10, thereby reducing the frame member 10. ), Which simplifies the design, manufacture and use of
  • the unitary frame 12 also includes an electrode channel 38 located on the attachment surface 20 along the outer circumferential wall 18.
  • the electrode channel extends outward from the opening 24 through the attachment surface 20 relative to the periphery of the unitary frame 12.
  • the electrode channel 38 includes a depth and is formed in a size and shape (for example, width and length) sufficient to accommodate the electrode 106 of the battery cell 100 (see Fig. 14 in Fig. 18).
  • a typical configuration of the battery cell 100 includes two electrodes 106 with opposite electrodes, for example 106+ and 106-, one embodiment of which is shown in FIGS.
  • Electrode channels 38 are included. In other words, a single electrode channel is formed for receiving two electrodes 106 in a single channel, in particular in terms of width.
  • the frame member 10 is formed to receive a plurality of battery cells 100 including a plurality of battery cells 100 having electrodes 106 extending outward in different directions, and the attachment surface 20 includes a plurality of electrode channels 38 including the desired number of electrode channels 38.
  • the unitary frame 12 includes a single extension electrode channel 38 or a plurality of electrode channels 38, but at least two channels may have two adjacent frame members 10 attached to each other. When the channel 38 of one frame member 10 and the complementary channel 38 of another frame member 10 are aligned, the joints and alignments are doubled by doubling the thickness of the channel 38. Similar to the complementary relationship disclosed above, symmetrically opposed to each other with respect to the plane of symmetry 36.
  • the frame member 10 is formed such that the outer circumferential wall 18 has a suitable closed shape among regular or irregular polyhedrons, circles, semicircles, strings, ellipses, half ellipses or other bent closed shapes. Particularly useful shapes related to manufacturing, packing density, packaging of multiple frame members and their dynamic stability are regular polyhedrons, in particular rectangular.
  • the outer circumferential wall 18 has a first sidewall 40 and an opposing second sidewall 42, an upper end 46 of the first sidewall 40 and an upper end 48 of the second sidewall 42. ) And an upper wall 44 extending therebetween.
  • the outer circumferential wall 18 also includes a lower wall 50 extending between the lower end 52 of the first side wall 40 and the lower end 54 of the second side wall 42.
  • the outer circumferential wall 18 and the respective first side wall 40, the second side wall 42, the upper wall 44 and the lower wall 50 are integrally formed, i.e. together.
  • the integral outer circumferential wall 18 is formed by an appropriate forming method that includes various types of molding.
  • Engineering plastics include thermoset polymers or thermoplastic polymers, including various copolymers, filled polymers, and the like, or combinations thereof. Suitable molding methods are injection molding.
  • An example of a suitable engineering plastic is acrylonitrile butadiene styrene (ABS).
  • the engagement portion 14 extends along the boundary of the opening 24 and extends the first portion 56 of the top wall 44 and the symmetry plane 36 of the first sidewall 42. Spaced apart from and extending downward to the first portion 58 of the lower wall 50 along the first sidewall 42 and along the first portion 58 of the lower wall 50 a symmetry plane 36. Extend toward.
  • the complementary coupling 16 extends from the symmetry plane 36 along the second portion 60 of the upper wall 44 opposite (relative to the coupling 14), and then the second sidewall ( 42 extends downward to the second portion 62 of the lower wall 50 and extends toward the symmetry plane 36 along the second portion 62 of the lower wall 50.
  • the portion of the coupling portion 14 eg, the first portion 56
  • the coupling portion 14 is substantially opposite the coupling portion 14 (eg, the second portion 18) along the outer circumferential wall 18. It is preferred to be located at a portion opposite the portion substantially across the opening 24. 1-9, 13, and 15-18, it can be seen that this arrangement provides at least two opposing points along the boundary of the wall 18 of the adjacent frame member 10. As shown in FIGS.
  • the battery cell 100 or the battery cells 100 are fixed between the frame members for firm attachment between the frame members 10.
  • Another preferred configuration illustrated in these figures is an attachment surface 14 extending about one half along the first portion of the boundary of the opening 24 and about one half along the second portion of the boundary of the opening 24. It is to provide a complementary coupling portion 16, or coupling portions that extend by. Such an arrangement is substantially an opening (except for the portions associated with electrode channels 38, alignment 28, or alignments 28, and complementary alignment 32, or complementary alignments 32).
  • Coupling portion 14 and complementary coupling portion 16 have a configuration suitable for providing secure attachment and secure attachment of adjacent frame members 10.
  • the engaging portion 14 is inwardly (opening) with an L-shaped arm 15 protruding outwardly (with respect to opening 24).
  • 24 has a protruding L-shaped arm 17, and each of the L-shaped arms 15, 17 (see FIG. 13) has adjacent frame members 10 coupled to the engaging portions 14.
  • Complementary L-shaped arms 15, 17 of each engaging portion and engaging portions 14, 16 overlap the outer and inner extending arms with each other and provide a locking engagement of the associated frame members 10, As a case, it is formed to flow outward and inward and to ride over each other.
  • the cooling member 10 includes a thermally conductive corrugated sheet 72.
  • the corrugated sheet 72 has a number of channels 74 extending along its width.
  • the cooling channels 74 connected with other components of the battery module 400 may provide a plurality of cooling tubes and associated flow paths for circulation of a refrigerant such as air for cooling the battery module 400.
  • 100 and frame members 10 are included.
  • the cooling member 70 is formed of a suitable conductive material including various metals and metal alloys such as aluminum as well as other thermally conductive materials such as various thermally conductive polymers or metal polymer composites.
  • the cooling member 70 is formed by an appropriate method. When the cooling member 70 comprises a metal or metal alloy, metal stamping is used to form the cooling member 70 including the cooling channels 74.
  • the cooling member 70 will have a size and shape sufficient to contain at least part of the opening 24. In one embodiment, as shown in FIGS. 11, 12, 15 and 16-18, the cooling member 70 has a sufficient size and shape to completely surround the opening 24.
  • the cooling member 70 is formed to be attached to the cooling surface 22 of the frame 12, as shown in Figure 16-18.
  • the cooling member 70 is attached to the cooling surface 22 by forming a joint therebetween. Suitable joints include fusion joints, adhesive joints, and the like. These joints consist of ultrasonic welding, thermosonic welding, hot-platen welding, laser fusion or adhesive bonding, or a combination thereof. The use of separate fasteners for attaching the frame member 10 and the cooling member 70 is also possible and within the planned joint range.
  • the cooling member 70 is joined to the cooling surface 22 by forming attachment flanges 78 and joints therebetween at each end of the cooling member 70 at the upper wall 44 and the lower wall 50.
  • the cooling member 70 and the frame member 10 are also joined along the first side wall 40 and the second side wall 42 by forming joints at the contact points of the cooling channel 74 and the cooling surface 22.
  • the second frame member 10 Upon attachment of the first frame member 10 to the first surface 73 of the cooling member 70, the second frame member 10 is joined to the opposing second surface 75 of the cooling member 70. It is.
  • the joints and joining methods are the same as the starting method for joining the first frame member 10 and the cooling member 70, or other joint and joining methods are used.
  • the first frame member 10, the cooling member 70 and the second frame member 10 joined in this manner provide a frame assembly 200.
  • the orientation of the first frame member 10 and the second frame member 10 is such that all the electrodes have respective top walls 44 attached to the same end of the cooling member 70. It is particularly desirable for the channels 38 to provide a coupling located at the top 202 of the frame assembly 200.
  • the first frame member 10 may be arranged so that the first frame member 10 has different arrangements, the electrode channels 38 located at opposite ends of the cooling member 38. It is possible to have an upper wall 44 attached to an end of the cooling member 70 and an upper wall to which the second frame member 10 is attached to the opposite end of the cooling member 70 (not shown). .
  • the first frame assembly 200 and the second frame assembly 200 having at least one battery cell 100 may be connected to the frame / battery cell assembly 300 as shown in FIGS. 15 to 18.
  • Particularly useful combinations include a first frame assembly 10, with a second frame assembly 10 having two battery cells interposed between electrodes deflected with the same polarity on opposite sides of the frame assemblies 200. .
  • the battery cells are interposed so that their peripheral flanges 102 are located near the rims 26.
  • the first frame assembly 200 and the second frame assembly 200 may include the coupling parts 14 and the complementary coupling parts 16 embedded between the pair of battery cells 100 so that the first frame assembly 200 may be connected to each other.
  • the second frame assembly 200 are pressed together to be coupled to each other by a method of fixing the second frame assembly 200.
  • the frame members 10 and the rims 26 and the battery cells 100 and the respective peripheral flanges 102 have battery cells (with the rims 26 inside the frame members 10). They are pressed together to provide compression to the peripheral flanges 102 to protect and embed 100.
  • the ridges 104 of the battery cells 100 are located inside the opening 24 of the frame members 10. The outer surfaces 108 of the ridges 104 such that the outer surfaces 108 of the cell are thermally coupled to an adjacent cooling member 70 to promote cooling of the battery cells 100 during operation of the battery module 400.
  • each outer surface of the cooling member 70 in particular the bases of the cooling channels 74.
  • a coolant such as air flows through the cooling channels 74 to provide heat transfer and cooling of the battery module 400.
  • Frame / battery cells such that the number of frame assemblies 200 and battery cells 100 are combined to make battery modules 400 comprising a desired number of frame / battery cell assemblies 300.
  • Frame assemblies 200 for forming the assemblies 300 are provided for modular construction of the battery module 400.
  • the high degree of modularity allows the number of cells to be assembled into battery modules to provide the desired power (kW) and energy (kW / hr) outputs.
  • such modularization enables the construction of battery modules 400 having a desired power and energy output without changing the tools necessary for the manufacture of battery modules 400. Only minimal tool and element changes are required, such as the provision of suitable interconnects for varying the module configuration or related structures needed to provide refrigerant to battery modules of various sizes and shapes.
  • the ends 402 and 404 of the battery module 400 preferably incorporate the module cover 406.
  • the module cover is formed by assembling a single frame member 10 to the cooling element 70.
  • the use of a module cover 406 that can house a pair of battery cells between the frame assembly 200 and the cover 406 allows a pair of frame members to house a pair of battery cells 100 ( 200).
  • the use of covers 406 associated with the adjacent frame assemblies 200 provides the same cooling function as disclosed with respect to the pair of frame assemblies 200 and the battery cells 100, but if the frame as a case When the assemblies 200 are used at the ends of the battery module 400, waste of the frame member 10 on the ends of the battery module is avoided. 19, 20 and 23, a second embodiment of a cooling member 80 is disclosed.
  • the cooling member 80 includes a sheet-shaped first side 81 and an opposite side 82 such as metal sheets. Sides 81 and 82 are joined to form a housing 83 and a flow path 84 extending therebetween.
  • the flow path 84 extends from the inlet port 85 to the outlet port 86.
  • the side 81, side 82, or both are formed in a manner such as metal stamping to form the inlet 85 and outlet 86 as well as the flow path 84.
  • the flow path 84 has a suitable shape, including a serpentine shape.
  • the cooling member 80 has a passage of the refrigerant from the inlet 85 to the outlet 86 along the flow path 84 to promote the cooling of the battery cells 100.
  • Suitable refrigerants include various liquids such as water or various aqueous solutions.
  • the cooling member 80 is joined to the frame members 10 in a starting manner related to the cooling member 70 for forming the frame assembly 200 ′.
  • the plurality of frame assemblies 200 ′ are frame / battery cell assemblies 300 ′ and battery modules 400 ′ by the disclosed method associated with the frame / battery cell assemblies 300 and battery modules 400. It is coupled with the battery cells 100 to form a.
  • the cooling member 90 comprises a thermally conductive sheet such as a metal, a metal alloy or a thermally conductive polymer, or a combination thereof.
  • Cooling member 90 also includes one or more cooling fins 92 protruding outward from one or more cooling member 90 side surfaces 94.
  • the cooling fins 92 have a suitable size or shape. In particular suitable sizes and shapes will include fin designs commonly used to promote heat transfer inside the same devices incorporating cooling fins for cooling.
  • Cooling member 90 also includes a coating 96 formed along one or more sides 94. Coating 96 includes various polymer coatings.
  • the cooling member 90 is bonded to the frame members 10 by a method of forming the frame assemblies 200 ".
  • a plurality of frame assemblies 200 " are disclosed in connection with the frame / battery cell assembly 300 and the battery module 400. By combining with the battery cells 100 to form the frame / battery cell assembly 300 "and the battery module 400".

Abstract

전지셀을 내장하기 위한 프레임 부재, 프레임 부재로부터 제조된 프레임 어셈블리와 프레임/전지셀 어셈블리, 뿐만 아니라 이를 제조하는 각 방법들이 개시되어 있다. 전지셀을 내장하기 위한 프레임 부재는 부착면(attachment face)과 그에 대향하는 냉각면(cooling face)을 가진 외주벽을 포함하고 있는 일체형 프레임(integral frame); 및 상기 부착면 상에 위치하는 결합부(attachment feature)와, 상기 프레임의 대칭면(plane of symmetry)을 기준으로 결합부에 대해 대칭적으로 대향되어 있는 부착면 상에 위치하는 상보형 결합부(complementary attachment feature);를 포함하고 있고, 상기 외주벽은 외주벽 내부에 전지셀을 정합하면서(matingly) 수납하는 구조의 개구부를 형성하고 있다. 한 쌍의 프레임 부재들은 그것들 사이에 위치하고 프레임 어셈블리를 구성하는 각 부착면에 부착된 냉각부재를 가지고 있다. 프레임/전지셀 어셈블리는 그것들 사이에 위치한 적어도 하나의 전지셀을 가지는 한 쌍의 프레임 어셈블리들을 포함하고 있다.

Description

프레임 부재, 프레임 어셈블리 및 전지셀 어셈블리와 이의 제조방법
본 발명은 전지셀 프레임 부재, 프레임 어셈블리 및 전지셀 어셈블리와 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 서비스 중인 어셈블리용 다중 전지셀 지지 프레임들을 적층하고 정렬하는 문제와 다른 냉각방법을 사용하는 융통성(flexibility) 문제를 해결한다.
가스-전기와 디젤-전기 하이브리드 자동차 및 플러그-인 전기 자동차와 같은 다양한 차량용 어플리케이션을 포함하는 것과 관련된 새로운 어플리케이션들의 다양성을 위해 리튬 폴리머 전지들과 같은 고 에너지 밀도 전지의 확장된 사용은 전지 기술 분야, 특히 이들 전지용 패키징 기술에서 수요가 점점 증가하고 있다. 이들 어플리케이션에 사용하는 전지모듈을 사용하기 위해 함께 패키징되는 상대적으로 많은 수의 큰 크기 전지셀들 때문에, 전지모듈들의 고 용량 제조와 조립에 특히 적합한 저 비용 패키징 기술의 개발은 이러한 기술의 성공적인 상업화를 위해 매우 중요하다.
종래의 패키징 기술은 전지셀들을 전지모듈로 조립하기 위해 많은 부품들을 필요로 하기 때문에 상대적으로 복잡한 문제점이 있다. 이것들은 여러 다른 플라스틱 프레임들과 셀들을 고정하는 데 사용되는 지지체들을 포함하고, 다음으로 이들 부품을 포함하고 있는 다수의 패키지 셀들의 어셈블리는 플라스틱 프레임들과 관련 프레임 부품들의 어셈블리와 결합하는 많은 패스너들의 사용을 포함한다. 그것들은 또한 성형 플라스틱 플랜지들 또는 전지모듈에 사용되는 각 셀들의 모서리 주변 또는 전체면 상부에 있는 다른 부위들을 포함한다. 그러한 성형 과정들은 전지셀들을 손상시키는 전위(potential) 뿐만 아니라 이들 부위들을 성형, 테스팅, 및 검사하는 것과 관련된 자재 및 노동비의 증가 때문에 일반적으로 바람직하지 않다.
종래에, 정렬부들을 프레임들 및 관련된 부품들에 합체하는 것은 조립 과정에 도움을 주므로 유용하지만, 이들 부위들의 합체, 특히 전지 프레임들과 모듈들을 형성하고 조립하는 데 유용한 부품 수 측면에서 때때로 방해가 되기 때문에 제한적이다.
종래에 전지모듈들에 냉각을 합체하기 위한 필요성은 또한 어셈블리에서 냉각을 유지하고 이들 복잡한 어셈블리들에서 필요한 열적 결합을 제공하는 냉매의 유수를 최소화하는 필요성 뿐만 아니라 조립에 관련된 많은 수의 부품들과 조립에 부가되는 복잡성 때문에 어렵다. 이전의 냉각 방식들과 관련된 복잡성 때문에 냉각장치와 냉각장치 제조방법의 변경을 포함하는 냉각 시스템의 변경은 전지모듈의 중요한 재설계를 필요로 한다. 그러므로, 만약 전지모듈의 냉각 부하가 기대되는 것보다 높다면, 냉각시스템을 변경하는 것은 일반적으로 중요한 공구 변경, 냉각 시스템의 재인증(requalification) 등을 필요로 하므로 어렵다.
그러므로, 어셈블리의 기대비용, 구조적, 기계적, 열적 및 다른 성질들을 제공하면서, 보다 단순화된 어셈블리 및 그 결과로 생긴 모듈들을 냉각하는 것을 보다 다양화할 수 있는 설계 및 재료를 가지는 전지모듈을 패키징하기 위해 향상된 부품들을 개발하는 것이 필요한 실정이다.
본 발명은 전지셀을 내장하기 위한 프레임 부재를 제공한다. 프레임부재는 부착면(attachment face)과 그에 대향하는 냉각면(cooling face)을 가진 외주벽을 포함하고 있는 일체형 프레임(integral frame)을 포함한다. 프레임 부재는 또한 상기 부착면 상에 위치하는 결합부(attachment feature)와, 상기 프레임의 대칭면(plane of symmetry)을 기준으로 결합부에 대해 대칭적으로 대향되어 있는 부착면 상에 위치하는 상보형 결합부(complementary attachment feature);를 포함하고 있고, 상기 외주벽은 외주벽 내부에 전지셀을 정합하면서(matingly) 수납하는 구조의 개구부를 형성하고 있다.
더욱이, 본 발명은 또한 전지셀을 내장하기 위한 프레임 부재를 제공한다. 프레임 어셈블리는 외주벽을 가지는 제 1 일체형 프레임을 포함하고, 상기 외주벽은 부착면과 대향하는 냉각면을 가지고 있고, 상기 부착면 상에 위치하는 결합부(attachment feature)와, 상기 프레임의 대칭면(plane of symmetry)을 기준으로 결합부에 대해 대칭적으로 대향되어 있는 부착면 상에 위치하는 상보형 결합부(complementary attachment feature);를 포함하고 있고, 상기 외주벽은 외주벽 내부에 전지셀을 정합하면서(matingly) 수납하는 구조의 개구부를 형성하고 있다. 프레임 어셈블리는 또한 외주벽을 가지는 제 2 일체형 프레임을 포함하고, 상기 외주벽은 부착면과 대향하는 냉각면을 가지고 있고, 상기 부착면 상에 위치하는 결합부(attachment feature)와, 상기 프레임의 대칭면(plane of symmetry)을 기준으로 결합부에 대해 대칭적으로 대향되어 있는 부착면 상에 위치하는 상보형 결합부(complementary attachment feature);를 포함하고 있고, 상기 외주벽은 외주벽 내부에 전지셀을 정합하면서(matingly) 수납하는 구조의 개구부를 형성하고 있다. 프레임 어셈블리는 또한 제 1 측면과 제 2 측면을 가진 냉각 부재를 포함하고, 제 1 측면은 제 1 프레임의 부착면에 부착되고 제 1 개구를 덮고 있으며, 제 2 측면은 제 2 프레임의 부착면에 부착되고 제 2 개구를 덮고 있다.
더욱이, 본 발명은 또한 전지셀을 내장하기 위한 프레임 부재의 제조방법을 포함한다. 본 방법은 부착면과 그에 대향하는 냉각면을 가진 외주벽을 포함하고 있고, 상기 부착면 상에 위치하는 결합부와, 프레임의 대칭면을 기준으로 결합부에 대해 대칭적으로 대향되어 있는 부착면 상에 위치하는 상보형 결합부를 포함하고 있으며, 상기 외주벽은 외주벽 내부에 전지셀을 정합하면서 수납하는 구조의 개구부를 형성하고 있는 일체형 프레임을 형성하는 과정을 포함하고 있다.
더욱이, 본 발명은 또한 전지셀을 내장하기 위한 프레임 부재의 제조방법을 포함한다. 본 방법은 부착면과 그에 대향하는 냉각면을 가진 외주벽을 포함하고 있고, 상기 부착면 상에 위치하는 결합부와, 프레임의 대칭면을 기준으로 결합부에 대해 대칭적으로 대향되어 있는 부착면 상에 위치하는 상보형 결합부를 포함하고 있으며, 상기 외주벽은 외주벽 내부에 전지셀을 정합하면서 수납하는 구조의 개구부를 형성하고 있는 제 1 일체형 프레임을 형성하는 과정을 포함하고 있다. 본 방법은 또한 부착면과 그에 대향하는 냉각면을 가진 외주벽을 포함하고 있고, 상기 부착면 상에 위치하는 결합부와, 프레임의 대칭면을 기준으로 결합부에 대해 대칭적으로 대향되어 있는 부착면 상에 위치하는 상보형 결합부를 포함하고 있으며, 상기 외주벽은 외주벽 내부에 전지셀을 정합하면서 수납하는 구조의 개구부를 형성하고 있는 제 2 일체형 프레임을 형성하는 과정을 포함하고 있다. 본 방법은 또한 제 1 측면과 제 2 측면을 가진 냉각부재를 형성하는 과정을 포함한다. 본 방법은 또한 제 1 프레임의 부착면에 냉각부재의 제 1 측면을 부착하여 제 1 개구를 덮고, 제 2 프레임의 부착면에 냉각부재의 제 2 측면을 부착하여 제 2 개구를 덮는 과정을 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들과 장점은 실시예의 상세한 기재로부터 당업자에게 더욱 명백하게 될 것이다. 상세한 기술과 도면들은 하기에 기재되어 있다.
본 발명의 프레임 부재, 프레임 어셈블리 및 전지셀 어셈블리는 어셈블리의 기대비용, 구조적, 기계적, 열적 및 다른 성질들을 제공하면서, 보다 단순화된 어셈블리 및 그 결과로 생긴 모듈들을 냉각하는 것을 보다 다양화할 수 있는 설계 및 재료를 가지는 전지모듈을 패키징할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 프레임 부재의 사시도이다;
도 2는 도 1의 단면 2-2에 따른 횡 단면도이다;
도 3은 도 1의 단면 3-3에 따른 횡 단면도이다;
도 4는 도 1의 단면 4-4에 따른 횡 단면도이다;
도 5는 도 1의 단면 5-5에 따른 횡 단면도이다;
도 6은 도 1의 단면 6-6에 따른 횡 단면도이다;
도 7은 도 1의 단면 7-7에 따른 횡 단면도이다;
도 8은 도 1의 영역 8의 확장 사시도이다;
도 9는 도 1의 영역 9의 확장 사시도이다;
도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 냉각부재의 사시도이다;
도 11은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프레임 어셈블리의 전면도이다;
도 12는 도 11의 프레임 어셈블리의 사시도이다;
도 13은 정렬된 각각의 결합부재들과 상보형 결합부재들을 가지는 도 1에 도시된 한 쌍의 프레임 부재들이 부착되어 결합되기 전을 나타내는 상면도이다;
도 14는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지셀의 사시도이다;
도 15는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 프레임/전지셀 어셈블리 및 전지모듈의 전개 사시도이다;
도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프레임/전지셀 어셈블리 및 전지모듈의 사시도이다;
도 17은 도 16의 단면 17-17에 따른 횡 단면 사시도이다;
도 18은 도 17의 영역 18을 확대한 횡 단면도이다;
도 19는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 냉각부재의 사시도이다;
도 20은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 프레임 어셈블리의 사시도이다;
도 21은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 냉각부재의 사시도이다;
도 22는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 프레임 어셈블리의 사시도이다; 및
도 23은 도 19의 단면 23-23에 따른 횡 단면도이다.
도 1 내지 도 18을 참조하면, 전지셀(100) (도 14 내지 18 참조)을 내장하기 위한 프레임 부재(10)가 개시되어 있다. 프레임 부재(10)는 일체형 프레임(12), 결합부(14), 및 상보형 결합부(16)를 포함하고 있다. 일체형 프레임(12)은 프레임을 둘러싸는 외주벽(18)을 포함하고 있다. 외주벽(18)은 부착면(20)과 대향하는 냉각면(22)를 포함하고 있다. 대향하는 냉각면(22)과 부착면(20)은 외주벽(18)의 양 측면들을 형성하고 있다. 외주벽(18)은 또한 전지셀(100)을 내부에 수납하기 위해 셀을 수납하기에 적합한 크기와 형상을 가지고 있도록 형성된 개구를 포함하고 있다. 적어도 하나의 개구(24)와 전지셀(100)은 정합하면서 결합되도록 형성되어 있다. 이것은 예를 들어 개구 (24)의 전체 또는 일부를 감싸는 림(rim, 26)을 제공하고 있다. 이것은 전지셀(100) 또는 융기된 중앙부(104), 또는 융기된 중앙부들(104), 또는 그것들의 조합으로 이루어진 외주면을 따라 셀 플랜지(102), 또는 다수의 플랜지들(102)의 제공을 포함하고 있다.
일체형 프레임(12)은 또한 융기 탭(31)의 형상을 가진 돌기(30)와 같은 정렬부 (28), 또는 다수의 정렬부들(28)을 포함하고 있다. 정렬부(28)와 연계하여, 일체형 프레임(12)은 또한 만입 슬롯(35)의 형상인 만입부(34)와 같은 다수의 정렬부들(28)에 대응하는 상보형 정렬부(32), 또는 다수의 상보형 정렬부들(32)을 포함하고 있다. 돌기(30)는 부착면(20)의 인접부 상부로 연장되어 있다. 마찬가지로, 만입부(34)는 부착면(20)의 인접부에 대해 만입되어 있다. 융기 탭(31)의 형상인 돌기(30)와 같은 정렬부(28)는 어셈블리와 연계된 인접 프레임 부재들(10)의 정렬을 제공하기 위해 만입 슬롯(35)의 형상인 만입부(34)와 같은 상보형 정렬부(32)와 연결하도록 형성되어 있다. 결합부(14)와 상보형 결합부(16), 및 정렬부(28)와 상보형 정렬부(32)는 부착면(20) 상에 위치하고 있고 각각의 부위들과 상보형 부위들이 대칭면(36)의 대향면들에 대해 서로 대칭적으로 대향되도록 하기 위해 대칭면(36)을 기준으로 대칭적으로 개재되어 있다. 이러한 배열은 특히 각각의 부위들과 상보형 부위들의 적합한 선택과 대칭 배열에 의해 다수의 동일한 프레임 부재들(10)이 서로 정렬되고 서로 부착되기 때문에 장점이 있다. 단일 프레임 부재(10)의 사용은 프레임 어셈블리들의 조립을 위해 필요한 다른 부품들의 수와 프레임 부재들(10)을 사용하는 프레임/전지셀 어셈블리들 및 전지모듈들을 절감하는 것을 포함함으로써, 프레임 부재(10)의 설계와 제조 및 사용을 단순화하는 장점이 있다.
하나의 실시예에서, 일체형 프레임(12)은 또한 외주벽(18)을 따라 부착면(20) 상에 위치한 전극 채널(38)을 포함하고 있다. 전극 채널은 개구(24)로부터 일체형 프레임(12)의 주변부에 대해 부착면(20)을 통과해 외부로 연장되어 있다. 전극 채널(38)은 깊이를 포함하고, 전지셀(100)(도 14 내자 18 참조)의 전극(106)을 수납하기에 충분한 크기와 형상(예를 들어 넓이와 길이)으로 형성되어 있다. 전지셀(100)의 전형적인 구성은 반대의 전극을 가지는 2개의 전극들(106), 예를 들어 106+ 와 106-, 를 포함하고 있고, 도 14 내지 18에 도시된 하나의 실시예는 2개의 전극 채널들(38)을 포함하고 있다. 달리말해, 단일 전극 채널은 특히 넓이에 대해 2개의 전극들(106)을 단일 채널에 수납하기 위해 형성되어 있다. 더욱이, 프레임 부재(10)는 다른 방향으로 외향 연장된 전극들(106)을 가지는 다수의 전지셀들(100)을 포함하는 다수의 전지셀들(100)을 수납하기 위해 형성되어 있고, 부착면(20)은 소망하는 전극채널들(38)의 수를 포함하는 다수의 전극채널들(38)을 포함하고 있다. 하나의 실시예에서, 일체형 프레임(12)은 단일 확장 전극채널(38) 또는 다수의 전극채널들(38)을 포함하든지, 적어도 2개의 채널들은 2개의 인접 프레임 멤버들(10)이 서로 부착될 때 하나의 프레임 부재(10)의 채널(38)과 다른 프레임 부재(10)의 상보 채널(38)은 정렬되어 있도록 하기 위해, 채널(38)의 두께를 2배로 만듬으로써, 결합부들과 정렬부들의 상부에 개시된 상보 관계와 유사하게 대칭면(36)을 기준으로 서로 대칭적으로 대향되어 있다.
프레임 부재(10)는 외주벽(18)이 규칙적인 또는 비규칙적인 다면체, 원, 반원, 현, 타원, 반타원 또는 다른 구부러진 폐쇄형 형상 중 적합한 페쇄형 형상을 가지도록 형성되어 있다. 특히 제조, 충진 밀도(packing density), 다수의 프레임 부재의 패키징과 그것의 동적 안정성을 용이하게 하는 것과 관련된 유용한 형상은 규칙적인 다면체, 특히 직사각형이다. 도 1을 참조하면, 외주벽(18)은 제 1 측벽(40) 및 대향된 제 2 측벽(42), 제 1 측벽(40)의 상단부(46)와 제 2 측벽(42)의 상단부(48) 사이에 연장된 상부벽(44)을 포함하고 있다. 외주벽(18)은 또한 제 1 측벽(40)의 하단부(52)와 제 2 측벽(42)의 하단부(54) 사이에 연장된 하부벽(50)을 포함하고 있다. 상기에 언급한 바와 같이, 외주벽(18)과 각각의 제 1 측벽(40), 제2측벽(42), 상부벽(44)과 하부벽(50)은 일체형, 즉 함께 형성되어 있다. 일체형 외주벽(18)은 다양한 타입의 성형을 포함하고 있는 적정한 형성 방법에 의해 형성되어 있다. 엔지니어링 플라스틱은 다양한 공중합체들(copolymers), 충전 폴리머들(filled polymers) 등을 포함하는 열경화성 고분자 또는 열가소성 고분자, 또는 그것들의 조합을 포함하고 있다. 적합한 성형 방법은 사출성형이다. 적합한 엔지니어링 플라스틱의 예는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)이다.
프레임 부재(10)의 형상과 관련하여 도 1 내지 9를 참조하면, 다양한 결합부(14)와 상보형 결합부(16)의 배열이 사용되고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 결합부(14)는 개구(24)의 경계를 따라 연장되고 상부벽(44)의 제 1 부위(56)를 연장되며 제 1 측벽(42)의 대칭면(36)으로부터 이격되어 있고, 다음으로 제 1 측벽(42)을 따라 하부벽(50)의 제 1 부위(58)에 하향 연장되고, 하부벽(50)의 제 1 부위(58)를 따라 대칭면(36)을 향해 연장되어 있다. 이와 마찬가지로, 상보형 결합부(16)는 대향된(결합부(14)에 대해) 상부벽(44)의 제 2 부위(60)를 따라 대칭면(36)으로부터 연장되고, 다음으로 제 2 측벽(42)를 따라 하부벽(50)의 제 2 부위(62)에 하향 연장되고, 하부벽(50)의 제 2 부위(62)를 따라 대칭면(36)을 향해 연장되어 있다. 결합부(14)의 부위(예를 들어, 제 1 부위(56))는 실질적으로 외주벽(18)을 따라 결합부(14)(예를 들어, 제 2부위(18))의 대향된 다른 부위와 실질적으로 개구(24)를 가로지르는 대향 부위에 위치하는 것이 바람직하다. 도 1-9, 13, 및 15-18을 참조하면, 이러한 배열은 적어도 인접 프레임 부재(10)의 벽(18)의 경계를 따라 폐쇄된 2 개의 대향점들을 제공함을 알 수 있다. 프레임 부재들(10) 간의 공고한 부착을 위해 전지셀(100) 또는 전지셀들(100)을 프레임 부재들 사이에 고정하고 있다. 이들 도면에 예시된 바람직한 다른 구성은 개구(24)의 경계의 제 1 부위를 따라 약 1/2만큼 연장하는 부착면(14)과 개구(24)의 경계의 제 2 부위를 따라 약 1/2 만큼 연장하는 상보형 결합부(16), 또는 결합부들을 제공하는 것이다. 그러한 배열은 전극 채널들(38), 정렬부(28), 또는 정렬부들(28), 및 상보형 정렬부(32), 또는 상보형 정렬부들(32)과 관련된 부위들을 제외하고 실질적으로 개구부(24)의 경계를 따라 인접한 프레임 부재들(14) 사이의 폐쇄를 제공한다. 결합부(14)와 상보형 결합부(16)는 인접 프레임 부재들(10)의 부착 결합과 공고한 부착을 제공하는 데 적합한 구성을 가지고 있다. 이것은 정합 또는 상보형 암부(female portion)와 부착에 의해 결합되는 돌출부인 수/암(male/female) 결합부들의 모든 방법을 포함하고 있다. 도 1-9, 12, 13 및 15-18, 특히 도 1 내지 9를 참조하면, 결합부(14)는 외부로(개구 24에 대해) 돌출된 L-형상 암(15)과 내부로(개구 24에 대해) 돌출된 L-형상 암(17)을 가지고 있고, (도 13을 참조하면) 각각의 L-형상 암들(15,17)은 인접 프레임 부재들(10)이 결합부들(14)과 상보형 결합부들(16)을 서로 근접하게 위치시키고 제 1 방향 화살표(56)와 제 2 방향 화살표(58)에 의해 도시된 방향들에 의해 함께 누를 때 서로 중복 (overlapping) 및 잠금(locking) 결합된 상태로 결합되도록 형성되어 있다. 각각의 결합부와 결합부들(14, 16)의 상보형 L-형상 암들(15, 17)은 외부와 내부로 연장 된 암들을 서로 중복하고 관련된 프레임 부재들(10)의 잠금 결합을 제공하도록, 케이스로서 외부와 내부로 유동하고 서로 라이드 오버(ride over)하도록 형성되어 있다.
전지모듈(400)의 구성에서 프레임 부재(10)를 사용하기 위해, 구성 요소들을 냉각을 제공하는 모듈 내부에 포함시키는 것이 또한 필요하다. 도 10 내지 18을 참조하면, 냉각은 전지모듈(400)을 위해 냉각 부재(70)를 합체함으로써 제공된다. 특히 도 10을 참조하면, 냉각부재(10)는 열적 도전성 주름진 시트(72)를 포함하고 있다. 주름진 시트(72)는 그것의 넓이를 따라 연장된 다수의 채널들(74)을 가지고 있다. 전지모듈(400)의 다른 구성 요소들과 연결된 냉각 채널들(74)은 다수의 냉각관들과 전지모듈(400)의 냉각을 위한 공기와 같은 냉매의 순환을 위한 관련 유로들을 제공하기 위해 전지셀(100)과 프레임 부재들(10)을 포함하고 있다.
냉각 부재(70)는 알루미늄과 같은 다양한 금속들 및 금속 합금들 뿐만 아니라 다양한 열적 도전성 폴리머들 또는 금속 폴리머 복합물과 같은 다른 열적 도전성 재료를 포함하는 적정한 도전성 재료로 형성되어 있다. 냉각부재(70)는 적정 방법에 의해 형성되어 있다. 냉각부재(70)가 금속 또는 금속 합금을 포함할 때, 금속 스탬핑이 냉각 채널들(74)을 포함하는 냉각부재(70)를 형성하기 위해 사용된다. 냉각부재(70)는 적어도 개구(24)의 일부를 내장하기에 충분한 크기와 형상을 가질 것이다. 하나의 실시예에서, 도 11, 12, 15 및 16-18에 도시된 바와 같이, 냉각부재(70)는 개구(24)를 완전히 둘러싸기 위한 충분한 크기와 형상을 가지고 있다. 냉각부재(70)는 도 16-18에 도시된 바와 같이, 프레임(12)의 냉각면(22)에 부착되도록 형성되어 있다. 냉각부재(70)는 그것들 사이에 조인트 (joint)를 형성함으로써 냉각면(22)에 부착되어 있다. 적정한 조인트는 융착 조인트, 접착 조인트 등을 포함하고 있다. 이들 조인트들은 초음파 융착(ultrasonic welding), 열초음파 융착(thermosonic welding), 고온-플레이트 용접(hot-platen welding), 레이져 융착 또는 접착 결합(adhesive bonding), 또는 그것들의 조합으로 이루어져 있다. 프레임 부재(10)와 냉각부재(70)를 부착하기 위한 개별 패스너들의 사용 또한 가능하고 계획된 조인트 범위 이내이다. 냉각부재(70)는 상부벽(44)와 하부벽(50)에서 냉각부재(70)의 각 단부에서 부착 플랜지들(78)과 그것들 사이에 조인트들을 형성함으로써 냉각면(22)에 접합된다. 냉각부재(70)와 프레임 부재(10)는 또한 냉각 채널(74)과 냉각면(22)의 접촉점에서 조인트들을 형성하여 제 1 측벽(40)과 제 2 측벽(42)을 따라 접합되어 있다.
냉각부재(70)의 제 1면(73)에 대한 제 1 프레임부재(10)의 부착에 따라, 제 2 프레임부재(10)는 냉각부재(70)의 대향된 제2면(75)에 접합되어 있다. 조인트들 및 접합 방법들은 제 1 프레임 부재(10)와 냉각부재(70)를 접합하기 위한 개시방법과 동일하거나, 또는 다른 조인트 및 접합 방법들이 사용된다. 상기 방법으로 접합된 제 1 프레임 부재(10), 냉각부재(70) 및 제 2프레임부재(10)는 프레임 어셈블리(200)을 제공한다. 양 부재들이 냉각부재(70)의 동일 단부에 부착되는 각각의 상부벽들(44)을 가지도록 하 위해 제 1프레임 부재(10)와 제 2 프레임 부재(10)의 정렬(orientation)은 모든 전극 채널들(38)이 프레임 어셈블리(200)의 상단부(202)에 위치한 결합을 제공함으로써 특히 바람직하다. 그러나, 프레임 부재(10)의 대칭성때문에 다른 배열, 각 프레임 부재들(10)이 냉각 부재(38)의 대향 단부에 위치하는 전극채널들(38)을 가지도록, 제 1 프레임 부재(10)가 냉각부재(70)의 단부에 부착되는 상부벽(44)과 부착되고 제 2 프레임 부재(10)가 냉각부재(70)의 대향 단부에 부착되는 상부벽을 가지고 있는 것은 가능하다(도시하지 않음).
도 15 내지 18을 참조하면, 적어도 하나의 전지셀(100)을 가지는 제 1 프레임 어셈블리(200)와 제 2 프레임 어셈블리(200)는 도 15 내지 18에 도시된 바와 같이 프레임/전지셀 어셈블리(300)를 제공하고 전지모듈(400)의 필수 요소들을 함께 형성하는 데 사용된다. 특히 유용한 결합은 제 1 프레임 어셈블리(10)을 포함하고, 2개의 전지셀들을 가지는 제 2 프레임 어셈블리(10)는 프레임 어셈블리들(200)의 대향 측면에 동일 극성으로 편향된 전극들 사이에 개재되어 있다. 전지셀들은 그것들의 주변 플랜지들(peripheral flanges, 102)이 림들(rims, 26) 근처에 위치하도록 개재되어 있다. 제 1 프레임 어셈블리(200)와 제 2 프레임 어셈블리(200)는 각 결합부들(14)과 상보형 결합부들(16)이 한 쌍의 전지셀들(100) 사이에 내장하여 제 1 프레임 어셈블리(200)과 제 2 프레임어셈블리(200)를 고정시키는 방법에 의해 서로 결합되도록 함께 프레스된다. 하나의 실시예에서, 프레임 부재들(10)과 림들(26) 및 전지셀들(100)과 각 주변 플랜지들(102)은 림들(26)이 프레임 부재들(10) 내부에 전지셀들(100)을 보호하고 내장하기 위해 주변 플랜지들(102)에 대해 압축력을 제공하도록 서로 누르면서 결합되어 있다. 더욱이 전지셀들(100)의 융기부들(104)은 프레임 부재들(10)의 개구(24) 내부에 위치하고 있다. 셀의 외면들(108)이 전지모듈(400)의 작동 동안 전지셀들(100)의 냉각을 증진하기 위해 근접한 냉각부재(70)에 열적 결합되도록, 융기부들(104)의 외면들(108)은 냉각부재(70)의 각 외면, 특히 냉각 채널들(74)의 기저부들을 프레스 한 상태로 결합되어 있다. 전지셀들(100)과 냉각 부재(70)를 열적 결합에 의해, 공기와 같은 냉매가 전지모듈(400)의 열전달과 냉각의 증진을 제공하기 위해 냉각 채널들(74)를 통과해 흐르게 되는 장점이 있다.
프레임 어셈블리들(200)과 전지셀들(100)의 수가 소망하는 수만큼의 다수의 프레임/전지셀 어셈블리들(300)을 포함하는 전지모듈들(400)을 만들기 위해 결합되도록, 프레임/전지셀 어셈블리들(300)을 형성하기 위한 프레임 어셈블리들(200)이 전지모듈(400)의 모듈라 구성(modular construction)을 위해 제공된다. 높은 모듈화 정도는 셀들의 수가 소망하는 전력(kW) 및 에너지(kW/hr) 출력을 제공하기 위한 전지모듈들로 조립되는 것을 허용한다. 특히, 이러한 모듈화는 전지모듈들(400)의 제조에 있어서 필수적인 공구의 변경없이 소망하는 파워와 에너지 출력을 가지는 전지모듈들(400)의 구성을 가능하게 한다. 다양한 모듈 구성 또는 다양한 크기와 형상의 전지모듈들에 냉매를 제공하는 데 필요한 관련 구조의 변경을 위해 적합한 교차부(interconnects)의 제공과 같이, 단지 최소의 공구와 요소 변경들이 요구된다.
도 15 내지 18로부터 이해되는 바와 같이 전지모듈(400)의 단부들(402, 404)은 모듈 커버(406)를 합체하는 것이 바람직하다. 모듈 커버는 단일 프레임 부재(10)를 냉각요소(70)에 조립함으로써 형성된다. 프레임 어셈블리(200)와 커버(406) 사이에 한 쌍의 전지셀들을 내장할 수 있는 모듈 커버(406)의 사용은 한 쌍의 전지셀들(100)을 내장하기 위한 한 쌍의 프레임 부재들(200)을 사용하는 것과 같은 방법이다. 인접 프레임 어셈블리들(200)과 관련된 커버들(406)의 사용은 한 쌍의 프레임 어셈블리들(200)과 전지셀들(100)과 관련하여 개시된 바와 같이 동일한 냉각 기능을 제공하지만, 만약 케이스로서 프레임 어셈블리들(200)이 전지모듈(400)의 단부들에 사용되는 경우 전지모듈의 단부 상에 있는 프레임 부재(10)의 낭비를 피하게 된다. 도 19, 20 및 23을 참조하면, 냉각부재(80)의 제 2 실시예가 개시되어 있다. 냉각부재(80)는 금속시트들과 같은 시트 형상의 제 1 측면(81)과 대향 측면(82)을 포함하고 있다. 측면(81)과 측면(82)는 하우징(83)과 그것들 사이에 연장된 유로(84)를 형성하기 위해 접합되어 있다. 유로(84)는 유입구(85)로부터 배출구(86)로 연장되어 있다. 측면(81), 측면(82), 또는 둘 모두 유입구(85)와 배출구(86) 뿐만 아니라 유로(84)의 형상을 형성하기 위해 금속 스탬핑과 같은 방법으로 형성되어 있다. 유로(84)는 나선형(serpentine) 형상을 포함하는 적합한 형상을 가지고 있다. 냉각부재(80)는 전지셀들(100)의 냉각을 증진하기 위해 유로(84)를 따라 유입구(85)로부터 배출구(86)까지 냉매의 통로를 가지고 있다. 적합한 냉매는 물 또는 다양한 수용액과 같은 다양한 액체를 포함하고 있다. 냉각부재(80)는 프레임 어셈블리(200')를 형성하기 위한 냉각 부재(70)에 관련된 개시 방법으로 프레임 부재들(10)에 접합되어 있다. 다수의 프레임 어셈블리들(200')은 프레임/전지셀 어셈블리들(300) 및 전지모듈들(400)과 관련된 개시방법에 의해 프레임/전지셀 어셈블리들(300') 및 전지모듈들(400')을 형성하도록 전지셀들(100)과 결합되어 있다.
도 21 및 22를 참조하면, 냉각부재(90)의 제 3 실시예가 개시되어 있다. 냉각부재(90)는 금속, 금속 합금 또는 열적 도전성 폴리머, 또는 그것들의 조합과 같은 열적 도전성 시트를 포함하고 있다. 냉각부재(90)는 또한 하나 이상의 냉각 부재(90) 측면들(94)로부터 외부로 돌출된 하나 이상의 냉각 핀들(92)을 포함하고 있다. 냉각핀들(92)은 적정 크기 또는 형상을 가지고 있다. 특히 적정 크기들과 형상들은 냉각용 냉각핀들을 합체하는 동일 디바이스들 내부에서 열전달을 증진하기 위해 통상적으로 사용되는 핀 디자인들을 포함할 것이다. 냉각부재(90)는 또한 하나 이상의 측면들(94)을 따라 형성된 코팅(96)을 포함하고 있다. 코팅(96)은 다양한 폴리머(polymer) 코팅들을 포함하고 있다. 냉각부재(90)는 프레임 어셈블리들(200")을 형성하는 방법에 의해 프레임 부재들(10)에 접합된다. 냉각 부재(90)의 측면들(94)을 따라 형성된 코팅들(96)의 사용은 냉각 부재(90)와 프레임 부재들(10)의 접합을 증진하는 데 유용하다. 다수의 프레임 어셈블리들(200")은 프레임/전지셀 어셈블리(300)와 전지모듈(400)에 관련된 개시 방법에 의해 프레임/전지셀 어셈블리(300")와 전지모듈(400")을 형성하기 위해 전지셀들(100)과 함께 합체된다.
본 발명을 예시적인 실시예들을 참조하여 기술하였지만, 당업자라면 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변화들을 가하고 구성요소들을 균등물로 치환될 수 있다는 것을 이해하게 될 것이다. 더불어, 본 발명의 본질적인 범주를 벗어나지 않으면서 특정한 상황 또는 소재를 본 발명의 교시에 적용시키기 위해 많은 변형들이 가해질 수도 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 개시되어 있는 특정한 실시예들로 한정되기 않고 본 발명이 하기 청구범위의 범주내에 속하는 모든 실시예들을 포함하는 것으로 의도된다. 더욱이, 용어 제 1, 제 2 등의 사용은 구성요소들을 서로 구별시키기 위해 사용되었다. 또한, 용어 a, an 등의 사용은 양적인 한정을 내포하는 것이 아니라, 지시된 항목들의 적어도 하나의 존재를 의미한다.

Claims (29)

  1. 전지셀을 내장하기 위한 프레임 부재로서, 부착면(attachment face)과 그에 대향하는 냉각면(cooling face)을 가진 외주벽을 포함하고 있는 일체형 프레임(integral frame); 및 상기 부착면 상에 위치하는 결합부(attachment feature)와, 상기 프레임의 대칭면(plane of symmetry)을 기준으로 결합부에 대해 대칭적으로 대향되어 있는 부착면 상에 위치하는 상보형 결합부(complementary attachment feature); 를 포함하고 있고, 상기 외주벽은 외주벽 내부에 전지셀을 정합하면서(matingly) 수납하는 구조의 개구부를 형성하고 있는 프레임 부재.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 결합부는, 부착면 상에 위치하는 다수의 결합부들과, 부착면 상에 위치하는 다수의 대응 상보형 결합부들을 포함하고 있고, 상기 결합부들 각각은 대칭면을 기준으로 대칭적으로 대향되어 있는 각각의 상보형 결합부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 부재.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 다수의 결합부들 중 적어도 2개는 전반적으로 상기 외주벽을 따라 서로 대향하고 있고, 대칭면에 대해 대칭적으로 대향하고 있는 상기 적어도 2개의 상보형 결합부들 각각은 전반적으로 외주벽을 따라 서로 대향하고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 부재.
  4. 제 1 항에 있어서, 부착면으로부터 돌출된 돌기부(protrusion)와 정합 만입부(mating recess)를 더 포함하고 있고, 상기 돌기부와 만입부는 대칭면에 대해 대칭적으로 대향하고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 부재.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 돌기부는 부착면으로부터 돌출된 다수의 돌기부들과 다수의 정합 만입부들을 포함하고 있고, 상기 돌기부와 만입부는 대칭면에 대해 대칭적으로 대향하고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 부재.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 부착면으로부터 돌출된 다수의 돌기부들과 정합 만입부을 더 포함하고 있고, 다수의 돌기부들 각각은 대칭면에 대해 대칭적으로 대향하고 있는 다수의 만입부들 각각을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 부재.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 결합부와 상보형 결합부 중 하나는 안쪽으로 돌출된 L-형상 암(arm)을 포함하고 있고, 상기 결합부와 상보형 결합부 중 다른 하나는 바깥쪽으로 돌출된 L-형상 암을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 부재.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 외주벽 내부에 형성된 적어도 2개의 전극 채널들을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 부재.
  9. 제 8 항에 있어서, 2개의 전극 채널들은 대칭축에 대해 대칭적으로 대향하고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 부재.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임은 엔지니어링 플라스틱을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 부재.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 엔지니어링 플라스틱은 열경화성 고분자 또는 열가소성 고분자를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 부재.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 외주벽은 다면체(polyhedron), 원, 반원, 타원 또는 반타원 현(semi-ellipse chord)의 형상, 또는 기타 불규칙하게 구부러진 폐쇄형 형상(irregularly curved close-form shape)을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 부재.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 프레임의 형상은 직사각형을 포함하는 다면체인 것을 특징으로 하는 프레임 부재.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 외주벽은 제 1 측벽 및 그에 대향하는 제 2 측벽을 포함하고 있고, 상부 벽이 제 1 측벽과 제 2 측벽의 각 상단부들 사이에 연장되어 있고, 하부 벽이 제 1 측벽과 제 2 측벽의 각 하단부들 사이에 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 프레임 부재.
  15. 전지셀을 내장하기 위한 프레임 어셈블리로서,
    부착면과 그에 대향하는 냉각면을 가진 외주벽을 포함하고 있고, 상기 부착면 상에 위치하는 결합부와, 프레임의 대칭면을 기준으로 결합부에 대해 대칭적으로 대향되어 있는 부착면 상에 위치하는 상보형 결합부를 포함하고 있으며, 상기 외주벽은 외주벽 내부에 전지셀을 정합하면서 수납하는 구조의 개구부를 형성하고 있는 제 1 일체형 프레임;
    부착면과 그에 대향하는 냉각면을 가진 외주벽을 포함하고 있고, 상기 부착면 상에 위치하는 결합부와, 프레임의 대칭면을 기준으로 결합부에 대해 대칭적으로 대향되어 있는 부착면 상에 위치하는 상보형 결합부를 포함하고 있으며, 상기 외주벽은 외주벽 내부에 전지셀을 정합하면서 수납하는 구조의 개구부를 형성하고 있는 제 2 일체형 프레임; 및
    제 1 프레임의 부착면에 부착되고 제 1 개구를 덮고 있는 제 1 측면, 및 제 2 프레임의 부착면에 부착되고 제 2 개구를 덮고 있는 제 2 측면을 가지고 있는 냉각부재;
    를 포함하고 있는 프레임 어셈블리.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 냉각부재는 제 1 프레임과 제 2 프레임 사이로 연장되어 있고 냉매를 유입하도록 형성되어 있는 유입구(inlet), 및 제 1 프레임과 제 2 프레임 사이로 연장되어 있고 냉매를 배출하도록 형성되어 있는 배출구(outlet)를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 어셈블리.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 냉각부재는 금속 또는 엔지니어링 플라스틱의 주름진 시트(corrugated sheet)을 포함하고 있고, 상기 냉매는 액체 또는 가스인 것을 특징으로 하는 프레임 어셈블리.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 냉각부재는 유입구와 배출구에 연결된 유로를 가지고 있는 금속 또는 엔지니어링 플라스틱의 박벽 하우징(thin-wall housing)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 어셈블리.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 냉각부재는 제 1 프레임의 외주벽과 제 2 프레임의 외주벽의 바깥쪽으로 연장된 적어도 하나의 도전성 핀(conductive fin)을 가지는 열전도성 플레이트를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 어셈블리.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 도전성 플레이트는 금속, 또는 열전도성 고분자, 또는 금속 및 열적 도전성 고분자의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 프레임 어셈블리.
  21. 제 15 항에 있어서, 제 1 프레임의 개구에 배치된 제 1 전지셀; 및
    제 2 프레임의 개구에 배치된 제 2 전지셀을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 프레임 어셈블리.
  22. 제 21 항에 있어서, 제 1 프레임/전지셀 어셈블리를 구성하고,
    상기 제 1 프레임/전지셀 어셈블리와 동일한 제 2 프레임/전지셀 어셈블리를 더 포함하고 있으며, 상기 제 1 프레임 어셈블리의 제 2 프레임은 제 2 프레임/전지셀 어셈블리의 제 1 프레임/전지셀에 부착되고, 제 1 프레임/전지셀 어셈블리의 제 2 프레임의 결합부는 제 2 프레임/전지셀 어셈블리의 제 1 프레임의 상보형 결합부에 착탈가능하게 결합되어 있으며, 제 1 프레임 어셈블리의 제 2 프레임의 상보형 결합부는 제 2 프레임/전지셀 어셈블리의 제 1 프레임의 결합부에 착탈가능하게 결합되어 있으며, 상기 제 1 프레임/전지셀 어셈블리의 제 2 전지셀과 제 2 프레임/전지셀 어셈블리의 제 1 전지셀은 제 1 프레임/전지셀 어셈블리과 제 2 프레임/전지셀 어셈블리에 의해 고정되어 전지모듈을 구성하는 것을 특징으로 하는 프레임 어셈블리.
  23. 제 22 항에 있어서, 제 1 프레임/전지셀 어셈블리와 동일한 다수의 프레임/전지셀 어셈블리들을 더 포함하고 있고, 상기 프레임/전지셀 어셈블리들 각각은 각 프레임/전지셀 어셈블리의 제 1 프레임에 부착된 이전 프레임(prior frame)/전지셀 어셈블리를 가지고 있고, 상기 이전 어셈블리 각각의 제 2 프레임의 결합부는 어셈블리 각각의 제 1 프레임의 상보형 결합부와 착탈가능하게 결합되어 있으며, 상기 이전 어셈블리 각각의 제 2 프레임의 상보형 결합부는 어셈블리 각각의 제 1 프레임의 결합부와 착탈가능하게 결합되어 있고, 다수의 프레임/전지셀 어셈블리들과 그 사이에 고장되어 있는 전지셀들은 전지모듈을 형성하는 것을 특징으로 하는 프레임 어셈블리.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 제 1 프레임/전지셀 어셈블리의 제 1 전지셀과 다수의 프레임/전지셀 어셈블리들 중 최종 프레임/전지셀 어셈블리의 제 2 전지셀은 생략되어 있는 것을 특징으로 하는 프레임 어셈블리.
  25. 전지셀을 내장하기 위한 프레임 부재의 제조 방법으로서,
    부착면과 그에 대향하는 냉각면을 가진 외주벽을 포함하고 있고, 상기 부착면 상에 위치하는 결합부와, 프레임의 대칭면을 기준으로 결합부에 대해 대칭적으로 대향되어 있는 부착면 상에 위치하는 상보형 결합부를 포함하고 있으며, 상기 외주벽은 외주벽 내부에 전지셀을 정합하면서 수납하는 구조의 개구부를 형성하고 있는 일체형 프레임을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 일체형 프레임을 형성하기 위해 엔지니어링 플라스틱을 사출 성형하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법
  27. 전지셀을 내장하기 위한 프레임 어셈블리의 제조 방법으로서,
    부착면과 그에 대향하는 냉각면을 가진 외주벽을 포함하고 있고, 상기 부착면 상에 위치하는 결합부와, 프레임의 대칭면을 기준으로 결합부에 대해 대칭적으로 대향되어 있는 부착면 상에 위치하는 상보형 결합부를 포함하고 있으며, 상기 외주벽은 외주벽 내부에 전지셀을 정합하면서 수납하는 구조의 개구부를 형성하고 있는 제 1 일체형 프레임을 형성하는 과정;
    부착면과 그에 대향하는 냉각면을 가진 외주벽을 포함하고 있고, 상기 부착면 상에 위치하는 결합부와, 프레임의 대칭면을 기준으로 결합부에 대해 대칭적으로 대향되어 있는 부착면 상에 위치하는 상보형 결합부를 포함하고 있으며, 상기 외주벽은 외주벽 내부에 전지셀을 정합하면서 수납하는 구조의 개구부를 형성하고 있는 제 2 일체형 프레임을 형성하는 과정;
    제 1 측면과 제 2 측면을 가진 냉각부재를 형성하는 과정; 및
    제 1 프레임의 부착면에 냉각부재의 제 1 측면을 부착하여 제 1 개구를 덮고, 제 2 프레임의 부착면에 냉각부재의 제 2 측면을 부착하여 제 2 개구를 덮는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서, 냉각부재의 제 1 측면을 부착하고 냉각부재의 제 2 측면을 부착하는 것 중의 하나는, 초음파 융착(ultrasonic welding), 열초음파 융착(thermosonic welding), 고온-플레이트 용접(hot-platen welding), 접착 결합(adhesive bonding), 또는 그것들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  29. 제 27 항에 있어서, 다수의 프레임 어셈블리들을 제조하는 과정;
    다수의 프레임 어셈블리들의 제 1 프레임 어셈블리와 제 2 프레임 어셈블리 사이에 적어도 하나의 전지셀을 삽입하여, 적어도 하나의 프레임 개구 내에 적어도 하나의 전지셀을 위치시키는 과정;
    프레임 어셈블리들 중 제 1 프레임 어셈블리의 제 2 프레임의 결합부를 프레임 어셈블리들 중 제 2 프레임 어셈블리의 제 1 프레임의 상보형 결합부에 착탈가능하게 결합하고, 프레임 어셈블리들 중 제 1 프레임 어셈블리의 제 2 프레임의 상보형 결합부를 프레임 어셈블리들 중 제 2 프레임 어셈블리의 제 1 프레임의 상보형 결합부에 부착에 의해 결합하는 과정;을 더 포함하고 있으며,
    상기 적어도 하나의 전지셀은 프레임 어셈블리들의 제 1 프레임 어셈블리와 제 2 프레임 어셈블리 사이에 고정되고, 상기 전지셀은 적어도 하나의 전지셀 냉각부재에 열적으로 결합되어 있으며, 프레임 어셈블리들의 제 1 프레임 어셈블리와 제 2 프레임 어셈블리 및 적어도 하나의 전지셀이 전지모듈을 구성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
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