KR20120095913A - 배터리를 포함하는 자동차 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각 측면 엣지에 길이방향 구조 요소(14)를 포함하는 자동차 구조체(10)에 있어서, 하우징(31)을 형성하도록 겹쳐지는 둘 이상의 수평 쉘(28, 30)과; 하우징 내에 있고 에너지 저장 유닛을 포함하고 있는 하나 이상의 배터리 요소(36); 및 쉘을 하우징 내에 있는 부재 또는 다른 쉘에 연결시키는 하나 이상의 부착요소(46)를 포함하고, 상기 배터리 요소 중 하나 이상이 거의 수직방향에 해당하는 쉘이 겹쳐지는 방향으로 가압되도록 상기 부착요소가 배치되는 자동차 구조체에 관한 것이다.

Description

배터리를 포함하는 자동차 구조체{VEHICLE STRUCTURE INCLUDING A BATTERY}
본 발명은 자동차 구조체에 관한 것으로서, 특히 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차와 같이 전기 모터를 이용하여 동력을 얻고 바람직하게는 자율성이 큰 모터 차량용 자동차 구조체에 관한 것이다.
하부가 횡단 구조 요소와 길이방향 구조 요소로 이루어진 화이트 바디(body in white) 를 포함하는 모터 자동차는 공지 기술로서 이미 알려져 있다. 구체적으로, 이러한 요소들은 닫힌 금속 섹션 부재이며, 각각 자동차의 길이방향 또는 횡방향으로 형성되어 있다. 길이방향 구조 요소는 자동차의 전방 액슬과 후방 액슬 사이에 형성되어 있고, 이 경우 본 명세서에서는 "하체(underbodies)"로 부르도록 한다(이 기술분야에서 다른 기술자들은 "측면 레일"(side rails)이라고 부르기도 한다). 길이방향 구조 요소가 액슬 앞 또는 뒤에 있을 수도 있는데, 이 경우 본 명세서에서는 "측면 레일"이라고 부르도록 한다(이 기술분야에서 다른 전문가들은 "길이방향 부재"라고 부르기도 한다). 본 명세서에서, 횡단 구조 요소는 "횡단-부재"(cross-member)라고 부르도록 한다.
프랑스 특허 2 890 366에서는 구체적으로 모터 자동차를 설명하고 있는데, 이 모터 자동차는 두 개의 겹쳐진 부분으로 이루어진 바닥(floor)을 포함하고 있고, 이 바닥은 바닥의 두 부분 사이에 자동차 전기 배터리를 포함하고 있다. 바닥은 자동차의 화이트 바디의 길이방향 구조 요소 및 횡단 구조 요소에 연결되도록 설치된다.
이러한 바닥은 비교적 작은 용량의 배터리를 갖고 있는 자동차, 예를 들어 동력을 얻기 위해 엔진과 전기 모터를 모두 갖고 있는 하이브리드 자동차에 매우 적합하다. 그러나, 배터리 용량이 증가하는 경우, 즉 부피가 커지는 경우, 바디의 하부를 보강하여 자동차에 대하여 충격이 가해지는 경우 배터리가 손상을 입는 것을 막기 위해, 종래의 아키텍쳐에 의하면, 자동차의 횡단-부재를 위로 올리고 구조 요소의 치수를 다시 조정해야하고 아니면 심지어 구조요소를 추가로 제공해야한다.
이러한 자동차의 아키텍쳐는, 자동차의 무게가 증가되는 반면 자동차 실내공간이 줄어드는 단점이 있다.
본 발명은, 용량이 더 큰 배터리에 맞는 자동차 아키텍쳐를 제안함으로써 상술한 문제점들을 해소하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,
각 측면 엣지에 길이방향 구조 요소를 포함하는 자동차 구조체에 있어서:
Figure pct00001
하우징이 쉘 사이에 형성되도록 겹쳐지는 둘 이상의 거의 수평적으로 배치된 쉘로서, 각각의 쉘은 두 개의 길이방향 구조 요소 중 하나 이상에 연결되는, 둘 이상의 쉘;
Figure pct00002
하우징 내에 있는 하나 이상의 에너지 저장 유닛을 포함하고 있는 하나 이상의 배터리 요소; 및
Figure pct00003
상기 쉘을 하우징 내에 있는 부재 및/또는 나머지 쉘에 연결시키는 하나 이상의 고정요소로서, 상기 하나 이상의 배터리 요소가 거의 수직방향에 해당하는 쉘을 겹치는 방향으로 가압되도록 배치되는, 하나 이상의 고정요소;를 포함하는 자동차 구조체를 제공한다.
고정요소에 의해 배터리 요소는 쉘 사이에서 가압될 수 있기 때문에, 쉘 조립체는 더욱 단단히 만들어지고, 충돌시 배터리 요소의 반응이 개선된다.
일반적으로, 배터리 요소는 외부의 공격에 대하여 에너지 저장 유닛을 보호하는 케이스를 포함하고, 이 케이스는 쉘과 배터리 요소를 포함하는 조립체로 이루어진 자동차 구조체에 기여할 수 있는 소정의 강성을 갖고 있다. 또한, 충돌시, 배터리 요소는 가압되는 경우 충돌에 의해 발생하는 힘의 일부를 받을 수 있다. 충격은 이러한 배터리 요소에 의해 일부 처리되며, 따라서 이 배터리 요소는 종래의 케이스에는 없었던 기능적인 요소를 구성하기 때문에, 자동차의 화이트 바디를 구성하는 특정 횡단-부재를 생략할 수 있다. 바닥부분의 특정 영역에서의 자동차의 강성은 길이방향 요소 및 쉘 조립체에 의해 제공된다.
쉘이 차지하는 영역에는 횡단-부재가 없기 때문에, 쉘은, 종래의 자동차와 비교하여 자동차 내부의 공간을 줄일 필요없이, 배터리 요소들로 이루어진 대용량 배터리 시스템을 저장하기에 충분한 크기로 되어 있다.
본 발명의 자동차 구조체는 대용량 배터리를 가지면서도 비교적 가벼우면서 컴팩트하고 뿐만 아니라 충격도 잘 견딜 수 있는 아키텍쳐를 제공하는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 형성하는데 적합하다.
바람직하게 이 구조체는 고속으로 충돌할 때, 즉 시속 15킬로미터(km/h) 이상의 속도로 충돌할 때 발생하는 힘을 견디기에 적합하다. "충돌할 때 발생하는 힘을 견딘다"는 의미는, 쉘 조립체의 배터리 요소와 고정요소를 포함하는 쉘 조립체가 자동차가 받는 최대의 동적인 힘 전체의 20% 이상을 수용하는 데 적합하다는 의미이다.
본 발명의 자동차 구조체는 또한 아래와 같은 특징을 하나 이상 갖고 있다:
Figure pct00004
각각의 쉘은 거의 수평방향(즉 쉘이 겹쳐지는 방향에 수직하는 방향)으로 형성된 복수의 횡단 단부를 구비하고, 각각의 배터리 요소는 쉘의 횡단 단부에서 이격된 곳에, 바람직하게는 2 cm 보다 먼 거리, 특히 5 cm 떨어진 곳에 배치되어 있다. 보다 구체적으로, 각각의 배터리 요소는 각각의 쉘의 측면 단부에서 이격된 곳에 배치되어 있어, 길이방향 구조 요소에 인접할 수 있다. 배터리 시스템을 형성하는 배터리 요소와 쉘의 단부 사이에 유지되는 "가드(guard)" 거리 때문에, 매우 비싼 배터리 요소는 자동차가 충돌하는 경우에 손상을 입지 않을 수 있다. 쉘의 단부 부분은 형태가 변형됨으로써, 충돌시 발생하는 에너지를 흡수할 수 있는데, 만일 변형되지 않는다면 충돌 때문에 자동차의 다른 요소들이 배터리 요소와 접촉하게 될 것이다;
Figure pct00005
상기 하나 이상의 배터리 요소는 쉘과 다른 쉘에 연결된 부재 사이에서 가압된다. 구체적으로, 상기 하나 이상의 고정요소는 상기 하나 이상의 배터리 요소를 지지하거나, 상기 하나 이상의 배터리 요소를 지지하는 부착요소에 연결되어 있다. 고정요소는 배터리 요소 또는 두 개의 인접하는 배터리 요소를 지지하는 플레이트 또는 어깨부와 같은 돌출부를 포함할 수 있다. 고정요소는 하나 이상의 배터리 요소를 통과할 수 있다;
Figure pct00006
바람직하게는 공동이 새지 않게 중간에 개재된 개스킷에 의해, 하우징이 밀폐된 공동을 형성하도록, 두 쉘은 직접 또는 하나 이상의 중간요소에 의해 횡단 단부에서 서로 연결되어 있다. 이로써, 배터리 요소를 잘 보호할 수 있고 또한 배터리 요소에 대하여 탑승자를 보호할 수 있다;
Figure pct00007
상기 쉘로 이루어진 조립체로서 선택적으로는 중간 요소도 포함하여 이루어진 조립체는, 특히 길이방향 구조 요소들 사이에 또는 길이방향 구조 요소 아래에서, 길이방향 구조 요소에 대하여 한번에 설치되는 단일품 부분을 구성한다. 쉘로 이루어지고 선택적으로는 쉘과 중간요소로 이루어진 조립체는 한 번에 길이방향 구조 요소에 대하여, 특히 길이방향 요소 사이에 또는 그 밑에서 설치될 수 있는 단일-부품 부분을 구성한다. 따라서, 조립체는 독립적인 모듈로서 스스로 지지하는(self-supporting) 모듈을 구성하고 이 모듈은 주요 자동차 조립라인과 분리되어 조립될 수 있다. 이로써, 자동차를 조립할 때 비용을 줄일 수 있고, 자동차를 사용하는 동안 자동차의 화이트 바디를 분해할 필요 없이 배터리 요소를 갖는 부분을 제거하고 교체할 수 있기 때문에 매우 바람직하다. 치수가 클 수도 있지만, 이러한 부분은 고정요소로 중앙부분에서 함께 고정되어 있기 때문에 살짝 형태가 변형될 수 있다. 부분은 모듈형태로 길이방향 요소 사이에 설치될 수 있고, 각각의 모듈은 더 작은, 특히 더 횡단방향의 크기가 더 작은 서브-모듈을 형성하는 함께 조립되는 복수의 부분으로 구성되어 있고, 예를 들어 하나 내지 다섯 개의 모듈이 있다. 이러한 모듈은 큰 부분 보다 더 다루기가 쉽고, 크기가 작은 부분을 이용하면 자동차에 제공되는 범위(range)를 다양하게 할 수 있다(따라서 비용을 다르게 할 수 있다). 각각의 부분은 크기가 작은 두 개의 쉘을 포함할 수 있고, 이 쉘은 고정요소에 의해 쉘 사이에서 가압되는 배터리 요소를 포함하며, 자동차의 하나의 길이방향 요소에 연결될 수 있다;
Figure pct00008
하나 이상의 쉘은 하나 이상의 횡단 단부에 형성되어, 고속으로 충돌할 때, 즉 15 km/h 이상의 속도로 충돌할 때 발생하는 에너지를 흡수할 수 있다. "충돌할 때 발생하는 에너지를 흡수"한다는 말은, 충돌 때문에 발생하는 에너지의 20% 이상을 쉘이 흡수할 수 있다는 의미이다. 바람직하게, 단부는 각각의 배터리 요소로부터 소정거리만큼 이격된 곳에 있는 단부 중 하나이다. 이러한 모양을 통해서, 쉘의 단부 영역은 변형이 일어나서 충격에너지를 효과적으로 흡수할 수 있고, 따라서 배터리 요소와 쉘의 단부 사이의 최소거리를 줄일 수 있고, 결국 주어진 용량을 갖는 배터리에 사용하는 쉘의 전체적인 크기를 줄일 수 있다. 예를 들어, 각각의 쉘은 중공 바디를 포함할 수 있는데, 주름부 또는 아코디언 형상이 있어서 단부 근처에서 길이부분을 따라 쉘이 구겨지거나 찌그러질 수 있다. 또한, 접힘 영역과 같이, "퓨즈(fuse)" 영역 또는 미리 변형되도록 설정해 놓은 영역을 마련할 수도 있다;
Figure pct00009
고정요소는 하나 이상의 쉘의 횡단 단부에서 소정의 거리만큼 떨어지도록 배치되며, 바람직하게는 배터리 요소에서 소정거리만큼 떨어진 곳에 배치되어, 잘 변형되어 에너지를 더욱 효과적으로 흡수할 수 있다;
Figure pct00010
두 쉘 중 하나 이상의 쉘에는 그리고 경우에 따라서는 중간 요소에도, 쉘의 횡단 단부 중 하나 이상의 단부 근처에서, 에너지 흡수 수단이 구비되어 있다. 이러한 에너지 흡수 수단으로는, 발포 흡수제 또는 열가소성 플라스틱 흡수제가 있고, 이 에너지 흡수 수단은 예를 들어 리브를 갖는, 특히 벌꿀집 모양의 구조로 되어 있다. 이러한 에너지 흡수 수단은 쉘이 형성하는 하우징 내에 설치될 수도 있고, 더 바람직하게는 충돌시 에너지 흡수 수단이 하우징 밖에서 인접하는 길이방향 구조 요소와 쉘 내지 중간 부분과의 사이에 설치되어, 배터리 요소가 손상되는 것을 피할 수 있다. 또한, 에너지 흡수 수단은 자동차가 충돌할 때 배터리 요소를 손상시킬 위험을 줄이는 역할도 할 수 있다;
Figure pct00011
배터리 요소에 복원력을 가하도록, 탄성수단은 상기 하나 이상의 배터리 요소와 하나 이상의 쉘과의 사이에 배치되어 있다. 고정요소는 위치조정 수단, 예를 들면 자동차를 사용하는 동안 계속 고정시키도록 탄성 수단을 위한 중심조정 수단 및/또는 유지수단을 형성할 수도 있다. 탄성수단의 복원력은 예를 들어 고정요소와 같이 배터리 요소를 지탱하는 중간요소에 의해 배터리 요소에 가해질 수도 있다. 예를 들어 스프링 또는 스프링 와셔로 이루어져 있는 탄성수단은 느슨한 부분을 처리하는 구성요소를 형성하여, 특히 제조시에 발생하는 편차(drift)와 관련하여 배터리 요소 및/또는 쉘의 치수가 상이함에도 불구하고, 배터리 요소와 쉘 사이에서 접촉이 일어나게 하고 힘을 전달할 수 있다. 이러한 수단을 이용하면, 특히 충격이 발생하는 경우, 플레이트가 휘어져서 와셔가 완전히 가압되는 경우에도 힘이 쉘로부터 배터리 요소의 케이스로 전달되게 하여, 배터리 요소의 케이스에서 힘이 잘 분포되도록 할 수 있고, 이 배터리 요소는 고정요소의 부근에서만 응력을 받게 된다. 탄성수단은 또한 고정요소가 지지하는 부착수단을 형성할 수도 있다;
Figure pct00012
하나 이상의 배터리 요소는 인접하는 배터리 요소를 결합시키는 부착수단을 갖고, 구체적으로 이 부착수단은 예를 들어 똑딱이 단추처럼 결합(snap fastening)함으로써, 인접하는 배터리 요소의 상보적인 형상으로 기계적으로 부착시킬 수 있는 형상으로 되어 있다. 이로써, 배터리 요소를 쉘에 대하여 그리고 서로에 대하여 더욱 잘 위치를 잡을 수 있다;
Figure pct00013
하나 이상의 쉘은 하나 이상의 배터리 요소의 위치를 조정하는 수단을 포함하여, 살짝 충격을 받는 경우와 같이 요동이 발생하는 경우, 배터리 요소가 쉘의 단부에 더 가까워지는 것을 막을 수 있다;
Figure pct00014
상부 쉘은 자동차의 바닥부분을 형성하거나, 자동차 바닥의 지지부를 형성한다. 이러한 상황에서, 쉘은 시트를 지지하거나 및 안전벨트를 고정하는데 적합하다;
Figure pct00015
하나 이상의 쉘은 전기 접속 수단과 같은 하나 이상의 부가적인 기능 요소를 포함할 수 있고, 전기 접속 수단을 통해서 배터리 요소를 서로 전기적으로 연결시키거나 전기 모터와 같이 하우징 바깥에 있는 구성요소에 연결시킬 수 있다. 또한, 공기 유동 수단이 하우징에 구비될 수 있고, 하나 이상의 쉘이 이러한 수단을 형성하도록 구성될 수 있다. 배터리 요소 근처에 있는 공기 유동 수단을 이용하면, 배터리 요소를 냉각하여 과열이 발생하는 것을 방지할 수 있다;
하나 이상의 쉘은 적어도 부분적으로 금속과 같은 전기 전도성 물질로 이루어져 있고, 특히 거의 전체표면에 하나 이상의 금속층을 포함하고 있다. 예를 들어, 전기 전도성 물질은 쉘 내에 있는 금속 물질이며, 특히 플레이트 또는 그리드의 형태로 되어 있고, 금속은 예를 들어 알루미늄 또는 강철이다. 하나 이상의 중간요소는 적어도 일부분이 전기 전도성 물질로 이루어져 있다. 적어도 일부분이 이러한 물질로 만들어진 쉘을 이용하면, 패러데이 케이지(Faraday cage) 유형의 반응을 얻을 수 있어서, 하우징 내부에 있는 구성요소(배터리, 연결부, 전자장치)가 작동할 때 나오는 전자기파를 줄일 수 있고, 따라서 자동차의 다른 전기 또는 전자장비를 방해하지 않고 또한 자동차에 승차하고 있는 사람이 건강에 해로운 전자기파를 과도하게 받는 것을 피할 수 있다. 마찬가지로, 하우징 내부에 있는 전기 또는 전자 요소를, 자동차의 다른 부분에서 나오는 전자기파로부터 보호할 수 있다. 또한, 금속 쉘을 이용하면 쉘에 우수한 강성을 제공할 수 있고 또한 쉘이 충격에 잘 견딜 수 있게 한다. 또한, 쉘은 금속으로 만들어지는 경우, 배터리 요소를 냉각하거나 예열하는 열전도 수단의 역할을 할 수 있다;
Figure pct00016
쉘이 겹쳐지는 방향으로 두 쉘 사이의 하우징의 두께는 100 내지 400 밀리미터(mm)이며, 따라서 길이방향 구조 요소의 일반적인 높이를 초과하지 아니하면서 원하는 용량의 배터리를 설치할 수 있다. 이로써 자동차의 크기를 최소화할 수 있다.
본 발명은 또한, 자동차 바디의 하나 이상의 길이방향 구조 요소에 연결되며 측면 엣지에 설치되어 있는 자동차 부분에 있어서,
Figure pct00017
하우징이 쉘 사이에 형성되도록 겹쳐지는 둘 이상의 쉘;
Figure pct00018
하우징 내에 있는 하나 이상의 에너지 저장 유닛을 포함하는 하나 이상의 배터리 요소; 및
Figure pct00019
쉘을 하우징 내의 부재 또는 나머지 쉘에 연결시키고, 하나 이상의 배터리 요소가 중첩되는 방향으로 가압되도록 배치되어 있는, 하나 이상의 고정요소;를 포함하는 자동차 부분을 제공한다.
구체적으로, 각각의 부분은 화이트 바디의 각 측면 엣지에 있는 길이방향 구조 요소 사이에서, 화이트 바디의 전체 또는 일부에 형성된다.
이러한 부분은 완전히 자동차 바디와는 별개로서, 주요 자동차 조립라인이 아닌 곳에서 제조될 수 있고, 모듈로서 미리 조립된 이러한 부분 또는 다수의 부분은 길이방향 구조 요소 사이에서 자동차 바디에 결합될 수 있다.
또한, 본 발명의 부분은 위에서 설명한 특징을 하나 이상 갖고 있다.
본 발명은, 첨부된 도면을 참고하여 아래에서 설명하는 내용을 보면 더욱 잘 이해할 수 있으며, 아래에서 설명하는 내용은 단지 하나의 예로서 제공하는 것이다:
도 1은 본 발명의 특정 실시예에 따른 자동차의 하부를 나타내는 평면도이다;
도 2는 본 발명의 제1 실시예의 한 부분을 나타내는 도면으로서, 도 1에서 A-A를 따라 도시한 단면도이다;
도 3은 도 2의 부분을 상세히 나타낸 상세도이다;
도 4는 본 발명의 제2 실시예의 한 부분을 나타내는 도면으로서, 도 1에서 B-B를 따라 도시한 단면도이다.
도 5는 도 2의 부분을 상세히 나타낸 상세도이다.
도면들은 "서브-프레임"이라고도 부르는 자동차 구조체(10)의 하부를 나타내고 있는데, 이러한 구조체는 자동차가 받는 기계적인 응력을 견뎌내면서 자동차의 차체(13)를 지지하는 역할을 한다. 이 구조체는 자동차의 각 측면을 따라 형성된 두 개의 길이방향 요소(14)를 갖는 자동차 바디(12)를 포함하고 있다. 또한, 구조체는 길이방향 요소(14) 사이에 형성된 횡단-부재(16)를 구비하고 있다.
각각의 길이방향 요소는 자동차의 액슬(axle) 사이에 형성되어 있고 하체(18)(underbody)를 형성하는 제1 부분과, 후방 액슬 뒤에 형성되어 측면 레일(20)을 형성하며 하체(18)에 대하여 위로 올라가 있는 부분과, 액슬 상의 연결부분(22)을 구비하고 있다. 이러한 요소(18 내지 22)들은 보통 스탬프 금속섹션 부재(stamped metal section member)를 이용하여, 특히 시트 금속으로 이루어진 부재를 이용하여 만들어진다.
횡단-부재(16)는 하체(18)의 전방단부에 있고, 후방 액슬과 같은 높이를 이루면서 연결부분(22) 사이에 있고, 또한 측면 레일(20) 사이에서 자동차의 후방단부에 있다.
도 1에서 볼 수 있듯이, 바디는 두 개의 연속하는 횡단-부재 사이에 큰 공간으로서, 50cm이상의, 바람직하게는 1 미터(meter)의 공간을 갖고 있다. 모듈(24, 26)은 횡단-부재 사이에 남겨진 공간에 배열되어 있다. 더 구체적으로 모듈(24)은 하체(18)들 사이에 있고, 부분(26)은 측면 레일(20)의 아래에 있다. 이러한 모듈은 조립라인과 별개로 분리된 상태에서 조립되는 개별적인 단일 부분들로 이루어져 있고, 도 2 내지 도 5에서 더 구체적으로 설명할 것이며, 이러한 부분들은 자동차 구조체의 일체를 이루는 부분들을 형성하는데, 자동차가 받는 응력의 일부를 견디기 때문이다.
도 1의 자동차의 하체들 사이에 배열되어 있는 제1 모듈-형성 부분(24)에 대해서 설명을 할 것이며, 도 2 및 도 3을 참고하여 설명하도록 한다.
도 2에서, 제1 모듈-형성 부분(24)은 제1의 쉘, 즉 하부 쉘(28)을 포함하고, 제2의 쉘, 즉 상부 쉘(30)을 포함하고, 하부 쉘과 상부 쉘은 수평구조로서, 수직방향으로 매달려 있다. 상부 쉘(30)과 하부 쉘(28)은 평면 형상으로서 금속, 특히 알루미늄으로 이루어져 있고, 각각의 쉘은 두 개의 겹쳐진 벽을 갖도록 접혀진 시트를 이용하고 있다. 상부 쉘(30)과 하부 쉘(28)은 그 크기가 자동차의 하체들 사이의 공간에 놓이도록 되어 있고, 특히 각각의 쉘의 크기는 하체들 사이의 거리와 거의 동일하게 되어 있다.
쉘들은 또한 쉘 사이의 하우징(31)을 형성하도록 조립되며, 바람직하게 하우징의 두께는 100 mm 내지 400 mm 이다. 이를 위해, 각각의 쉘을 둘러쌀 수 있는 크기의 주위 프레임을 형성하는 중간요소(32)에 의해, 쉘들은 횡단하는 각각의 단부(즉, 쉘들이 겹쳐지는 방향에 수직하는 방향의 단부, 즉, 제1 모듈-형성 부분이 자동차에 장착되는 경우 수평으로 뻗어나가는 단부)에서 서로 연결되어 있다. 보다 구체적으로, 쉘은 중간에 놓인 개스킷(34)을 통해 나사로 프레임(32)에 연결되어 있다. 하우징(31)은 밀폐되어 있고 바람직하게는 밀봉되어 있는 공동(cavity)을 형성한다.
쉘, 중간요소 및 하우징 내의 요소로 구성된 제1 모듈-형성 부분은 단일부품이며, 자동차의 하체(18)들 사이에 한번에 끼워진다. 따라서, 자동차 조립라인 밖에서 제작될 수 있어서, 조립라인 이외에 차지되는 공간과 작업이 한정되어 결국 제조비용을 줄일 수 있다.
이 제1 모듈-형성 부분은 하우징(31) 내에 있는 배터리 요소(36)를 포함하고 있다. 배터리 요소(36)는 하나 이상의 에너지 저장 유닛을 포함하며, 각각의 에너지 저장 유닛은 겔(gel)과 같은 이온을 전달하는 매체에 설치된 애노드와 캐소드를 포함한다. 한 예로서, 각각의 에너지 저장 유닛은 플라스틱 물질로 이루어진 누출방지 필름에 의해 외부와 절연될 수 있다. 하나 이상의 에너지 저장 유닛을 갖고 있는 배터리 요소(36)는 에너지 저장 유닛을 둘러싸고 외부로부터 보호하는 금속 또는 플라스틱 재질의 단단한 케이스를 포함한다.
이러한 배터리 요소(36)를 함께 이용함으로써 자동차의 전기모터에 동력을 제공하는 배터리 시스템을 형성하게 되고, 배터리 요소들은 하우징의 내부 쪽으로 향하는 두 개의 쉘의 표면에 있는 연결요소(도시 안됨)에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 제1 모듈-형성 부분(24)은 특히 자동차의 전기 시스템에 연결시키는 요소를 하나만 갖도록 형성될 수 있고, 이러한 연결은 하우징(31)의 밖에서 이루어지고, 반면 다른 전기 연결부는 하우징 내에 있어서 외부와 만날 수 없고, 따라서 배터리의 전기적인 작업에 있어서 자동차의 이용자 또는 정비소에서도 접근하기가 어렵다.
배터리 요소(36)는 하체(18) 옆에 형성된 각각의 쉘의 측면 단부(37)로부터 떨어진 소정거리보다 먼 곳에서 쉘(28, 30)의 중앙부에 설치되어 있다. 소정거리는 2 cm 이상이고, 이 실시예에서는 약 5 cm 이다.
각각의 배터리 요소(36)는 하부 쉘(28)에 놓여 있고, 각 배터리 요소에 있는 부착수단에 의해 인접하는 요소에 결합된다. 이 실시예에서, 이러한 부착수단은 배터리 요소 쪽으로 향하는 면에 있는 상보적인 형상부로 구성되어 있다. 한쪽 면에 배터리 요소는 케이스와 일체로 되어 있고 탄성을 갖는 길이방향 텅(38)(tongue)을 구비하고 있고, 위로 향하는 자유단부를 갖는 후크의 형상으로 되어 있다. 배터리 요소의 반대쪽 면에서 배터리 요소는 후크 형상의 탄성을 갖는 길이방향 텅(40)을 구비하고 있고, 텅의 자유단부는 아래쪽으로 향한다. 이러한 두 개의 텅은 한 배터리 요소의 텅과 인접하는 배터리 요소의 반대편 텅이 상호작용할 수 있도록 배터리 요소에 배치되어 있다. 각각의 텅은 또한 자유단부에 러그(42)를 포함하고 있어서, 일단 조립되면 텅이 분리되는 것을 방지할 수 있다. 부착수단에 의해 배터리 요소들이 일단 결합되면, 관성(inertia)에 의해 쉘 사이에서 더 쉽게 고정된 상태를 유지할 수 있게 된다.
도 3에서 볼 수 있듯이, 각각의 배터리 요소와 상부 쉘(30) 사이에 공간이 있다. 부착부재(44)가 일부 배터리 요소(36)와 상부 쉘 사이에 개재되어 있다. 이 부착부재는 탄성 수단을 형성하는데, 여기에서는 와셔(wacher)의 형상으로 되어 있고, 플라스틱 물질로 이루어져 있다. 부착부재는 쉘(30)과 배터리 요소(36)를 지지하고 있고, 또는 상기 배터리 요소, 예를 들어 아래에서 설명하는 고정요소(46)를 지지하는 요소를 지지하고 있어, 약간 탄성적으로 변형될 수 있고 따라서 배터리 요소에 복원력을 가하게 된다. 부착부재는 틈새를 차지하는 요소(clearance takeup element)를 형성하여, 배터리 요소들의 치수가 달라도 상부 쉘과 접촉하게 된다.
부분은 또한 고정요소(46)를 구비하고 있고, 이 고정요소는 상부 쉘(30)을 하부 쉘(28)에 연결시키거나, 쉘들 중 하나, 여기에서는 상부 쉘(30)을 하우징 내부에 있는 배터리 요소에 연결시킨다.
보다 구체적으로, 제1 고정요소(46a)는 상부 쉘(30)을 하부 쉘(28)에 부착시킨다. 제1 고정요소는 고정바디(45a)를 포함하고 있고, 고정바디는 배터리 요소(36)와 와셔(44) 및 두 쉘(28, 30)을 통과한다. 제1 고정요소는 또한 바디의 상부에 있는 플레이트(47a)를 포함하고 있고, 플레이트는 통과하는 바디를 갖는 배터리 요소의 상단부를 지지한다. 와셔(44)는 고정바디에 배치되어, 쉘(30)과 고정요소의 플레이트(47a)와 접촉하고, 따라서 쉘로부터 고정요소 쪽으로 힘을 전달할 수 있다. 고정요소(46a)에 의해, 스프링 와셔(44)의 위치가 적절히 정해질 수 있다.
고정요소(46a)는 또한 각각의 단부에 나사산이 형성되어 있고, 쉘에서 튀어나온 바디의 각각의 부분에서 쉘(28, 30) 각각의 바깥쪽으로 향하는 면과 접촉하는 너트에 결합된다.
제2 고정요소(46b)는 배터리 요소를 가압하는 와셔(44)를 상부 쉘(32)에 연결시킨다. 이러한 고정은 나사로 고정하는 것으로서, 일반적인 너트-볼트 시스템을 이용하여 이루어질 수 있다. 요소(36)를 지지하고 복원력을 가하는 와셔(44)는 충분히, 두 쉘 사이에서 배터리 요소를 살짝 가압하여 상부 쉘에 대한 힘의 일부를 배터리 요소에 전달할 수 있다.
고정요소(46a, 46b)에 의해, 충격이 있을 때 제1 모듈-형성 부분에 작용하는 힘을 수용할 수 있고, 고정요소는 또한 제1 모듈-형성 부분의 강성을 증가시키는 역할을 하고, 따라서 취급시 손상을 가하는 것을 피하고, 자동차에 구조적으로 기여를 더 잘할 수 있고, 따라서 별도의 보상 횡단-부재를 자동차의 화이트의 바디에 추가할 필요가 없게 되어 더 무거워지는 것을 피할 수 있다.
고정요소(46a, 46b)는 또한 쉘의 측면 단부에서 멀리 떨어진 곳에 있는 쉘의 중심부에 배치되어 있다.
하우징은 또한 각각의 측면단부에 고정요소나 배터리 요소(36)를 갖고 있지 않은 영역(48)을 포함하고 있다. 이 영역은 고속으로 가해지는 충격을 흡수하는데 사용된다. 이를 위해, 이 영역을 형성하는 부분에서, 각각의 쉘은 충격을 더 잘 흡수할 수 있는 형상으로 되어 있다. 구체적으로 각각의 쉘은 측면단부 각각에 형성된 중공바디(49)를 포함한다. 이러한 중공바디는 쉘의 단부에서 강성을 증가시키는 역할을 하며, 또한 충돌에 의해 변형되는 경우 더 많은 에너지를 흡수할 수 있게 된다.
충돌시 에너지를 더욱 잘 흡수하기 위해, 제1 모듈-형성 부분은 충격흡수부(50)를 포함하며, 이 충격흡수부는 발포제 블록으로 이루어져 있고 중간요소(32)의 외부 구조체에 배치되어 각각의 쉘의 측면단부 부근에서 하우징(31)을 밀폐하며, 따라서 충격흡수부는 하체(18)와 중간부분(32) 사이에 놓이게 된다.
제1 모듈-형성 부분(24)은 아래와 같은 방법으로 제조된다: 우선, 부착수단(38, 40)에 의해 미리조립된 블록의 형태로 되어 있는 배터리 요소(36)를 하부 쉘(28)에 놓는다. 플레이트(47a)가 배터리 요소(36)의 상단부를 가압하도록 고정수단(46a)의 바디(45a)를 배치하고, 제1 너트를 바디의 바닥면에서 하부 쉘(28)의 바닥면에 대하여 나사식으로 결합시키고, 플레이트(47a)를 배터리 요소에 가압하면서 고정시킨다. 그 후, 개스킷(34)이 중간 프레임과 하부 쉘 사이에 개재되어 있는 상태에서, 중간 프레임(32)을 하부 쉘(28)과 조립한다.
그 후, 와셔(44)를 요소(46a)의 바디(45a)에 배치하고, 와셔(44)와 고정나사(46b)를 배치한 후, 상부 쉘을 배치하고, 각각의 너트가 상부 쉘(30)의 상부면과 접하도록 너트를 요소(46a)와 나사(46b)의 바디(45a)의 상단부에서 각각 나사결합식으로 끼운다. 상부 쉘(30)이 설치되면, 스프링 와셔(44)가 가압되어 배터리 요소(36) 또는 고정요소(46a)에 복원력을 가하게 된다.
그 후, 개스킷이 중간에 개재된 상태에서 중간 프레임(32)이 상부 쉘(30)에 결합되고, 따라서 새지 않는 하우징을 포함하는 단일부품을 형성하게 되고, 이러한 단일부품은 자동차의 하체에 결합된다.
아래에서 설명하는 본 발명의 제2 실시예에 따른 부분은, 도 1의 자동차 후방에 있는 모듈(26)을 형성하는 부분이다. 이러한 부분은 또한 하부 쉘(60)과 상부 쉘(62)을 포함하고, 이 두 쉘 모두 금속으로 이루어져 있다. 각각의 쉘은 평면 형태의 외연부(64)와, 요철부가 형성된 중앙부분을 구비하고 있다. 요철부가 서로 마주하고 쉘의 외연부(64)들이 접촉할 때 쉘(60)과 쉘(62) 사이에 하우징(66)을 형성하도록, 쉘(60, 62)이 배치되어 있다. 구체적으로, 일단 두 쉘을 함께 결합했을 때, 상부 쉘(62)의 요철부는 위로 튀어나오는 반면 하부 쉘(60)의 요철부는 오목부를 형성하도록 배향되어 있다.
개스킷이 중간에 개재되어 있는 상태에서 쉘들은 외연부를 통해서 나사결합으로 서로 연결되어, 하우징(66)이 밀폐된 공동(cavity)을 형성한다. 또한, 특히 측면 레일들 사이의 거리와 거의 같은 크기를 가짐으로써, 쉘들의 크기는 측면 레일에 연결될 수 있도록 되어 있다. 또한, 후방에서 모듈을 형성하는 부분(26)은 쉘의 외연부를 통해서 나사 결합으로 자동차의 측면 레일(20) 아래에 고정되어 있다.
배터리 요소(68)는 또한 하우징(66) 내에 배치되어 있다. 배터리 요소는 위에서 설명한 것과 같은 종류이다. 배터리 요소를 하우징 안에 적절히 배치하기 위해, 하부 쉘(62)은 돌출부(70)를 구비하고 있고, 돌출부는 각각의 배터리 요소를 수용하는 세트백(setback)을 형성하는 프레임을 형성하고, 이 프레임은 쉘에 대하여 배터리 요소(68)의 위치를 정하는 수단을 구성하고, 배터리 요소 사이에서 스페이서를 형성한다.
모듈은 또한 하부 쉘(60)과 상부 쉘(62)을 배터리 요소에 고정하는 고정요소(72)를 구비하고 있다. 각각의 고정요소는 고정바디(74)를 포함하며, 고정바디는 두 배터리 요소 사이에서 하우징을 통과하고 상부 쉘(62)과 하부 쉘(60) 내의 겹쳐진 구멍에 삽입되는 막대를 형성한다. 구체적으로, 하부 쉘의 개구는 돌출부(70)에 있다.
각각의 고정요소는 바디의 상부에 플레이트(76)를 구비하고 있고, 이 플레이트는 돌출부(70)의 각 측면에 두 개의 인접하는 배터리 요소(68)의 상단부를 지지한다. 고정요소(72)의 바디는 또한 상단부와 하단부에 나사산이 있어서, 쉘에서 튀어나온 각 부분에서 쉘(60, 62)의 바깥쪽 면과 접촉하는 각각의 너트에 결합된다. 이 고정요소(72)는 또한 배터리 요소에 대하여 쉘이 충돌하면서 발생하는 힘을 전달하는 역할을 한다.
후방에서 모듈을 형성하는 부분은 또한 상부 쉘 및 플레이트와 접촉하도록 그리고 플레이트와 배터리 요소(68)에 복원력을 가하도록, 고정요소의 상단부에서 고정요소의 플레이트(76)와 상부 쉘(62) 사이에 있는 와셔 형태의 탄성요소(78)를 포함하고 있다.
각 배터리 요소(68)는 각 쉘의 측면 단부(67)로부터 떨어진 소정의 거리 보다 더 먼곳에 곳에 배치되어 있다. 소정의 거리는 5 cm 보다 크다. 또한, 고정요소(72)는 각 쉘의 횡단단부로부터 떨어진 상기 소정의 거리보다 더 멀리 있는 곳에 배치되어 있다.
하우징(66)은, 배터리 요소 또는 고정요소가 없는 하우징의 가장자리 영역을 포함하고 있다. 이 영역은 고속의 충격을 흡수하는 동안 변형될 수 있도록 되어 있다. 이를 위해, 각각의 쉘은 가장자리 영역을 형성하는 부분에 주름부(80)를 포함하고 있어, 쉘은 미리 정해놓은 대로 변형될 수 있다. 주름에 의해 쉘은 구겨지면서 변형되는 데, 측면 단부에서 그 길이의 일부분만 휘어지는 쉘에 대응한다. 이런식으로 변형되는 것은 에너지를 흡수하기에 매우 좋다.
상술한 제1 모듈-형성 부분과 후방에서 모듈을 형성하는 부분은 충격을 잘 견디면서 매우 가벼운 구조체를 사용하여 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차용으로 대용량 배터리를 설치할 수 있기 때문에 매우 바람직하다.
제1 모듈-형성 부분과 후방에서 모듈을 형성하는 부분은 또한 요소 부근에서 공기를 가이드하는 수단을 포함하여, 요소를 냉각하고 또는 도면에 도시하지 않은 다른 기능성 요소를 냉각할 수도 있다.
본 발명은 위에서 설명한 내용으로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 자동차 구조체는 더 작은, 특히 횡단방향의 치수가 상술한 것보다 더 작은 서브-모듈로 이루어진 다수의 부분을 포함할 수 있다. 따라서, 모듈의 크기가 길이방향의 구조를 이루는 각각의 요소에 연결될 수 있고 한번에 자동차 바디에 끼울 수 있도록 되어 있는 모듈을 형성하도록, 겹쳐진 쉘로 이루어진 각각의 부분은 별개의 독립적인 하나 이상의 다른 부분들과 결합된다.
자동차는 하나 또는 둘 이상의 모듈 또는 세트로된 쉘을 포함할 수 있다. 쉘의 각 세트는 독립적이므로, 만약 자동차가 쉘을 한 세트 이상 갖고 있다면, 자동차는 동일한 세트 또는 상이한 세트를 가질 수 있다.
또한, 쉘은 모듈을 형성할 필요가 없고, 서로 독립적으로 요소에 연결되도록 길이방향의 구조를 이루는 요소에 직접 설치될 수 있다. 또한, 횡단-부재와 쉘을 자동차에 설치하는 것은 위에서 설명한 것처럼 설치하는 것으로 제한되는 것은 아니다.
각각의 쉘의 세트는 또한 단일 배터리 요소를 가질 수 있고, 단일 배터리 요소는 에너지 저장 유닛을 다수 포함하고 있다. 반면, 각각의 배터리 요소는 단일 에너지 저장 유닛을 포함할 수 있고, 다수의 배터리 요소가 하우징 내에 배치될 수 있다.
고정요소는 위에서 설명한 내용으로 한정되는 것은 아니다. 고정요소는 다른 모양으로 이루어져 있을 수 있다. 또한, 나사 고정수단이 아닌 다른 고정수단을 사용할 수도 있다. 일부 고정요소는 위에서 설명한 것보다 쉘의 횡단단부에 더 가까이 놓여 있을 수도 있다.
고속의 충돌에 의해 단부가 손상될 위험도에 따라, 길이방향 및 측면방향으로 또는 길이방향과 측면방향 중 한 방향으로만, 배터리 요소와 고정요소는 각 단부로부터 멀리 떨어져 있을 수 있다. 예를 들어, 쉘이 자동차의 후방에 있는 경우에는, 후방단부에 충격을 흡수하는 수단이 구비되어 있다.
세트로된 쉘은 탄성수단이 없을 수도 있다. 또한, 탄성수단은 앞에서 설명한 것과 다른 수단일 수도 있다. 예를 들어, 탄성수단은 고정요소를 둘러싸고 있는 스프링을 포함할 수도 있다.
배터리 요소 및 고정요소를 포함하지 않는 쉘의 가장자리에 있는 영역은 관통하는 고정요소를 갖고 있을 수도 있고, 및/또는 실시예에서 설명한 것처럼 형성될 필요가 없을 수도 있다. 이 위치에 쉘은 단지 평평한 벽을 가질 수도 있다. 또한, 쉘의 변형을 조절함에 있어서 다른 모양으로 이루어질 수도 있다. 또한, 바깥에 있는 요소 대신에 또는 바깥에 있는 요소와 함께, 에너지를 흡수하는 수단을 하우징 내에 추가로 설치할 수도 있다. 에너지를 흡수하는 수단도 발포 블록으로 제한되는 것은 아니다. 에너지 흡수 수단은 열가소성 물질로 이루어진 망상구조의 리브(rib)로 구성할 수도 있다.
쉘에 대하여 배터리 요소를 배치하는 수단은 선택적인 사항이다. 배터리 요소를 부착하는 수단도 선택적인 것이며, 앞에서 설명한 것과 다른 모양을 할 수도 있다. 배터리 요소는 또한 도면에 도시되지 않은 면에 있는 다른 요소에 부착시키는 수단을 포함할 수도 있다. 배치하는 수단과 부착하는 수단을 결합할 수도 있다.
쉘 조립체는 또한 자동차 바닥용 지지부를 형성할 수도 있다. 이러한 구성은 바닥의 안전벨트용 고정지점 때문에 발생하는 힘을 처리하는데 적합하다.
자동차의 여러 요소에 사용되는 물질은 위에서 설명한 물질과 다를 수도 있다. 마찬가지로 여러 요소의 모양은 위에서 설명한 것으로 제한되는 것이 아니다. 예를 들어, 두 개의 배터리 요소를 겹쳐지는 방향으로 하우징 안에 겹쳐놓는 것도 고려할 수 있다.

Claims (12)

  1. 각 측면 엣지에 길이방향 구조 요소(14)를 포함하는 자동차 구조체(10)에 있어서,
    Figure pct00020
    하우징(31; 66)이 쉘 사이에 형성되도록 겹쳐지는 둘 이상의 거의 수평적으로 배치된 쉘(28, 30; 60, 62)로서, 각각의 쉘은 두 개의 길이방향 구조 요소(14) 중 하나 이상에 연결되는, 둘 이상의 쉘;
    Figure pct00021
    하우징 내에 있는 하나 이상의 에너지 저장 유닛을 포함하고 있는 하나 이상의 배터리 요소(36; 68); 및
    Figure pct00022
    상기 쉘을 하우징 내에 있는 부재(36, 44) 및/또는 나머지 쉘(28, 30; 60, 62)에 연결시키는 하나 이상의 고정요소(46; 72)로서, 상기 하나 이상의 배터리 요소가 거의 수직방향에 해당하는 쉘을 겹치는 방향으로 가압되도록 배치되는, 하나 이상의 고정요소;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 배터리 요소(36; 68)는 쉘(28, 30; 60, 62)과 다른 쉘에 연결된 부재(44, 46a, 72) 사이에서 가압되는 것을 특징으로 하는 자동차 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 고정요소(46a, 46b, 72)는 상기 하나 이상의 배터리 요소를 지지하거나, 상기 하나 이상의 배터리 요소를 지지하는 부착요소(44)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 구조체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 쉘은 거의 수평방향으로 형성된 복수의 횡단 단부(37; 67)를 구비하고, 각각의 배터리 요소(36; 68)는 쉘의 횡단 단부에서 이격된 곳에, 바람직하게는 2 cm 보다 먼 거리, 특히 5 cm 떨어진 곳에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 구조체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    바람직하게는 공동이 새지 않게 중간에 개재된 개스킷(34)에 의해, 하우징(31; 62)이 밀폐된 공동을 형성하도록, 두 쉘(28, 30; 60, 62)은 직접 또는 하나 이상의 중간요소(32)에 의해 횡단 단부에서 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 쉘(28, 30; 60, 62)로 이루어진 조립체로서 선택적으로는 중간 요소(32)도 포함하여 이루어진 조립체는, 길이방향 구조 요소(14)에 대하여 한번에 설치되는 단일품 부분(24, 26)을 구성하는 것을 특징으로 하는 자동차 구조체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 쉘(28, 30; 60, 62)이 횡단 단부(37, 67) 중 하나 이상에 형성되어 고속으로 충돌할 때 발생하는 에너지를 흡수하고, 상기 횡단 단부는 특히 배터리 요소와 이격되어 있는 단부로 구성되며, 바람직하게 쉘은 횡단 단부 근처에 중공 바디(49) 또는 주름부(80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 구조체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 쉘 중 하나 이상의 쉘은, 경우에 따라서는 상기 쉘 및 상기 중간요소(32)는, 하나 이상의 쉘의 하나 이상의 횡단 단부의 부근에 에너지 흡수 수단(50)을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 자동차 구조체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    배터리 요소에 복원력을 가하도록, 탄성수단(44; 78)은 상기 하나 이상의 배터리 요소(36; 68)와 하나 이상의 쉘(28, 30; 60, 62)과의 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 구조체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 쉘(28, 30; 60, 62)은 적어도 부분적으로 금속과 같은 전기 전도성 물질로 이루어져 있고, 특히 거의 전체표면에 하나 이상의 금속층을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자동차 구조체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    공기 유동 수단이 상기 하우징 내에 배치되어 있고, 바람직하게는 하나 이상의 쉘이 공기 유동 수단을 형성하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 구조체.
  12. 자동차 바디의 하나 이상의 길이방향 구조 요소(14)에 연결되며 측면 엣지에 설치되어 있는 자동차 부분(24; 26)에 있어서,
    Figure pct00023
    하우징(31; 66)이 쉘 사이에 형성되도록 겹쳐지는 둘 이상의 쉘(28, 30; 60, 62);
    Figure pct00024
    하우징 내에 있는 하나 이상의 에너지 저장 유닛을 포함하는 하나 이상의 배터리 요소(36; 68); 및
    Figure pct00025
    쉘을 하우징 내의 부재(36, 44) 또는 나머지 쉘(28, 30; 60, 62)에 연결시키고, 하나 이상의 배터리 요소가 중첩되는 방향으로 가압되도록 배치되어 있는, 하나 이상의 고정요소(46; 72);를 포함하는 자동차 부분.
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