KR20220063739A - 트랙션 배터리 모듈이 장착된 자동차 - Google Patents

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필립 켈너
자샤 모스토피
크리스토퍼 폴크머
임마누엘 포겔
아드리안 슈타르크체브스키
디터 쉬벨
랄프 켈러
막시밀리안 뮐러
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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 트랙션 배터리 모듈(10)을 포함하는 자동차(100)에 관한 것으로, 트랙션 배터리 모듈(10)은, 각각 적어도 2개의 배터리 셀(62)로 구성되는 좌측 및 우측 셀 스택(60, 60')으로 구성되는 적어도 하나의 셀 스택 쌍(600)이 수용된 밀봉형 모듈 하우징(20)을 갖는다. 트랙션 배터리 모듈(10)은 자동차 바닥(102)에 배치되며, 자동차 횡방향(X)으로 자동차 중심(M)에 대해 대칭으로 연장된다. 상기 트랙션 배터리 모듈은 하나의 수평면 내에 하부 벽(26)을 갖는다. 모듈 하우징(20) 내에서 자동차 중심(M)에 그리고 자동차 횡방향(X)에 대하여 좌측 셀 스택(60)과 우측 셀 스택(60') 사이에 가스 공간(66)이 형성되며, 이때 모듈 하부 벽(26)은 가스 공간(66)의 영역에서 자동차 중심에 가스 제거 요소(30)를 갖는다.

Description

트랙션 배터리 모듈이 장착된 자동차{MOTOR VEHICLE COMPRISING A TRACTION BATTERY MODULE}
본 발명은 자동차의 전기 트랙션 모터(electric traction motor)에 전기 에너지를 공급하는 트랙션 배터리 모듈이 장착된 자동차에 관한 것이다.
자동차 트랙션 배터리 모듈은, 대체로 각각 복수의 배터리 셀로 구성되는 복수의 셀 스택(cell stack)이 기밀(gas-tight) 방식으로 수용되는 밀봉형(hermetically sealed) 모듈 하우징을 갖는다. 열 이벤트(thermal event)가 발생할 경우, 매우 높은 온도의 가스가 갑자기 셀 스택에서 빠져나갈 수 있으며, 이 가스는 목표한 대로 모듈 하우징 밖으로 이송되어야 한다. DE 10 2018 221 990 A1호로부터 배터리 하우징 내에 다수의 배터리 셀을 갖는 트랙션 배터리가 공지되어 있으며, 이 트랙션 배터리는, 상응하게 높은 내부 가스 압력이 가해지면 파열되어 이 영역에서 가스가 빠져나갈 수 있게 하는 파열 구역 형태의 측방향 가스 제거 요소(degassing element)를 갖는다. 배터리 셀들이 가스 제거 요소로부터 상이한 거리에 떨어져 있으므로, 하나의 배터리 셀의 고온 가스 흐름은 가스 제거 요소로 향하는 중에 경우에 따라 다수의 다른 배터리 셀을 과도하게 가열시킬 수 있다.
이러한 배경에서 본 발명의 과제는 고온 가스의 소산(dissipation)이 개선된 자동차 트랙션 배터리를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 청구항 제1항의 특징을 갖는 트랙션 배터리 모듈이 장착된 자동차에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 자동차는, 적어도 하나의 셀 스택 쌍이 배치된 밀봉형 모듈 하우징을 갖는 트랙션 배터리 모듈을 구비한다. 모듈 하우징은 실질적으로 기밀 방식으로 밀봉된다. 셀 스택 쌍은, 각각 자동차 종축에 대하여 좌측 셀 스택 및 우측 셀 스택으로 구성된다. 각각의 셀 스택은 각각 적어도 2개의 배터리 셀로 구성된다. 트랙션 배터리 모듈은 자동차 바닥에 배치되며, 자동차 횡방향으로 자동차 중심에 대하여 대칭으로 연장된다. 모듈 하우징은 하나의 수평면 내에 놓이는 하부 벽을 갖는다. 모듈 하우징 내부에서 그리고 대략 자동차 중심에서 좌측 셀 스택과 우측 셀 스택 사이에, 임의의 충전 재료, 특히 열전도성 화합물로 채워지지 않는 자유 가스 공간이 형성된다. 모듈 하부 벽은, 가스 공간의 영역에 그리고 대략 자동차의 중심에 가스 제거 요소를 가지며, 배터리 셀 중 하나로부터 도달하는 고온 가스가 자동차 중심에서 상기 가스 제거 요소를 통해 자동차 바닥으로부터 아래쪽으로 자동차 외부로 배출될 수 있다. 즉, 트랙션 배터리 모듈은, 모든 셀 스택이 가스 제거 요소에 직접 유체 연결되는 방식으로 설계되고, 그에 따라 각각의 셀 스택으로부터 빠져나오는 고온 가스가 다른 셀 스택을 지나쳐 흐르지 않고도 상기 셀 스택으로부터 가스 공간을 통해 바로 가스 제거 요소로 흐를 수 있다. 이로써 트랙션 배터리 모듈 내부의 연쇄 반응이 신뢰성 있게 방지된다. 자동차의 중심에서 직접 가스 제거 요소를 통해 자동차 하부 측으로 가스 제거가 이루어지기 때문에, 각각의 셀 스택으로부터 가스 제거 요소로의 짧은 흐름 경로가 구현되며, 트랙션 배터리 모듈의 국부적으로 제한된 가열이 보장된다. 또한, 고온 가스가 중앙에서 차량 하부 측으로 직접 배출됨에 따라, 양호한 탑승자 보호가 보장된다.
바람직하게는 가스 공간이 실질적으로 직육면체이며, 자동차 횡방향으로 최소 10cm의 폭을 갖는다. 바람직하게는 가스 공간이 자동차 횡방향으로 최대 30cm의 폭을 갖는다. 바람직하게는 가스 공간이 인접 셀 스택의 전체 수직 범위에 걸쳐 수직으로 연장되거나, 종방향으로 인접 셀 스택의 전체 종방향 범위에 걸쳐 연장된다. 즉, 각각의 셀 스택은 일측 셀 스택 측면을 통해 거의 전체 면에 걸쳐 가스 공간에 인접한다. 이러한 방식으로, 각각의 셀 스택과 가스 공간 사이의 흐름 저항이 각각 거의 0이고, 가스 제거 요소를 개방시키는 과압이 가급적 신속하게 가스 공간에 축적될 수 있는 점이 보장된다.
바람직하게는, 가스 제거 요소가 기밀성 파열판(rupture disk)으로서 형성된다. 이 파열판은 상당한 과압이 가해지면 신뢰성 있게 파열되어 개방되도록 설계되므로, 이러한 방식으로 열적 장애 발생 시 가스 제거 요소가 신뢰성 있게 개방된다. 파열판은, 예를 들어 간단히 모듈 하우징의 하부 벽의 재료 약화부로서 구현될 수도 있고, 내부 과압이 감소하면 다시 닫히는 기계적 과압 밸브로도 구성될 수 있다.
바람직하게 자동차는 모듈 하부 벽 아래에, 트랙션 배터리 모듈의 하부 측을 능동적으로 냉각시키는 평면형의 수냉식 냉각 베이스(cooling base)를 갖는다. 냉각 베이스는, 자동차 횡방향에 대하여 가스 제거 요소와 수직 정렬되어 자동차의 중심에 배치된 가스 제거 개구부를 갖는다. 따라서, 가스 제거 개구부는 가스 제거 요소와 수직으로 정렬된다. 이러한 방식으로, 장애 발생 시 냉각 베이스에 의해 트랙션 배터리 모듈의 가스 제거가 방해되지 않는다.
바람직하게는, 자동차 종방향으로 볼 때 서로 인접하여 배치된 2개의 셀 스택 쌍이 모듈 하우징 내부에 제공될 수 있다. 원칙적으로, 2개의 가스 공간의 중앙에 단일 가스 제거 요소가 할당될 수 있다. 그러나 특히 바람직하게는, 2개의 셀 스택 쌍 및 이들에 각각 할당된 2개의 가스 공간이 기밀 방식으로 서로 분리되도록 제공되며, 각각의 가스 공간에 각각 전용 가스 제거 요소가 할당된다.
바람직하게는, 모듈 하우징의 4개의 측벽이 압출 프로파일(extrusion profile)로부터 일체형으로 형성된다.
하기에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더 상세히 설명한다.
도 1은 자동차 바닥에 트랙션 배터리 모듈이 장착된 자동차의 개략도이다.
도 2는 도 1의 트랙션 배터리 모듈의 단면도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 트랙션 배터리 모듈의 수평 단면도이다.
도 4는 자동차 바닥에서 도 1 내지 도 3의 트랙션 배터리 모듈 아래의 냉각 베이스의 하면도이다.
도 1은 자동차(100)의 트랙션 배터리를 함께 형성하는 복수의 트랙션 배터리 모듈(10)을 자동차 바닥(102)에 갖는, 전기 트랙션 모터(104)를 구비한 자동차(100)를 개략적으로 도시한다. 자동차(100)의 주행 방향이 자동차 종방향(Y)이고, 횡방향은 자동차 횡방향(X)이며, 자동차의 수직선은 자동차 수직축(Z)이다.
각각의 트랙션 배터리 모듈(10)은, 각각 좌측 셀 스택(60) 및 우측 셀 스택(60')으로 구성되는 2개의 셀 스택 쌍(600, 600')을 가지며, 좌측 셀 스택(60)은 자동차 중심(M)의 좌측으로 좌측 자동차 절반부에 위치되고, 우측 셀 스택(60')은 자동차 중심(M)의 우측으로 우측 자동차 절반부에 위치된다. 트랙션 배터리 모듈(10)은 실질적으로 자동차 바닥(102)의 대부분의 폭에 걸쳐서 연장된다. 각각의 셀 스택(60, 60')은, 본 경우에 수직 횡평면에 있는 복수의 배터리 셀(62)로 구성됨으로써, 각각의 배터리 셀(62)의 근위 협측이 모듈 중앙의 직육면체 가스 공간(66)에 인접하며, 상기 직육면체 가스 공간은 고체 물질로 충전되지 않는 간극(clearance)을 형성한다. 가스 공간(66)은 종방향으로 전체 종방향 범위에 걸쳐서 연장되며, 수직 방향으로 2개의 인접 셀 스택(60, 60')의 전체 수직 범위에 걸쳐서 연장된다. 직육면체 가스 공간(66)은, 차량 횡방향(X)으로 예를 들어 20cm의 폭(B)을 갖는다.
직육면체 형상의 기밀 밀봉형 금속 모듈 하우징(20)은, 좌측 측벽(21), 우측 측벽(22), 상부 벽(25), 하부 벽(26), 전단 벽(23), 및 후단 벽(24)을 갖는다. 모듈 하우징(20)은 부분적으로, 4개의 긴 하우징 벽(21, 22, 25, 26) 및 격벽(80)을 형성하는 압출 프로파일 본체로 형성되는 반면, 비교적 작은 면적의 좌측 측벽(21) 및 우측 측벽(22)은, 2개의 셀 스택 쌍(600, 600')이 프로파일 본체 내로 삽입된 후에, 예를 들어 용접에 의해 기밀 방식으로 압출 프로파일 본체 상에 장착되었다.
횡방향(x)과 관련하여, 자동차 중심(M)의 영역에 그리고 하부 벽(26)의 각각의 가스 공간(66, 66')의 대략 중심에, 기본적으로는 기밀 밀봉되지만 가스 공간(66, 66')과 외부 대기압 간의 소정의 차압이 초과되면 영구적으로 파괴되도록 설계된 가스 제거 요소(30)가 배치된다. 가스 제거 요소(30)는 각각, 하부 벽(26)의 가스 제거 개구부(28) 내에 기밀 방식으로 장착된 파열판(32)으로 형성된다.
모듈 하우징(20)의 하부 벽(26)의 하부에 인접하여, 냉각 도관(42)을 통해 흐르는 냉각액(44)에 의해 거의 전체 면적에 걸쳐 능동적으로 냉각되는 수냉식 냉각 베이스(40)가 배치된다. 냉각 베이스(40)가 전체 면적에 걸쳐 모듈 하우징 하부 벽(26)에 열적으로 결합됨으로써, 트랙션 배터리 모듈(10)에 의해 발생한 열의 대부분은 충전 모드 또는 트랙션 모드에서 냉각 베이스(40)를 통해 소산된다. 냉각 베이스(40)는, 가스 제거 요소(30)와 수직 정렬되는 각각 하나의 대응 가스 제거 개구부(46)를 가지며, 이 가스 제거 개구부를 통해 가스 제거 시 가스 공간(66)으로부터 가스가 수직으로 자동차 중심을 향해 아래쪽으로 빠져나갈 수 있다.
도 3의 수평 단면도에서는, 수직 횡평면에 있는 격벽(80)에 의해 기밀 방식으로 서로 분리되는 2개의 셀 스택 쌍(600, 600')을 외측 모듈 하우징(20)이 수용함으로써, 각각의 셀 스택 쌍(600, 600')에 전용 가스 공간(66, 66') 및 전용 가스 제거 요소(30, 30)가 과 할당됨을 알 수 있다.

Claims (9)

  1. 트랙션 배터리 모듈(10)을 포함하는 자동차(100)로서,
    상기 트랙션 배터리 모듈(10)은, 각각 적어도 2개의 배터리 셀(62)로 구성되는 좌측 및 우측 셀 스택(60, 60')으로 구성된 적어도 하나의 셀 스택 쌍(600)이 수용된 밀봉형 모듈 하우징(20)을 가지며,
    상기 트랙션 배터리 모듈(10)은 자동차 바닥(102)에 배치되고, 자동차 횡방향(X)으로 자동차 중심(M)에 대해 대칭으로 연장되며, 하나의 수평면 내에 하부 벽(26)을 갖고,
    모듈 하우징(20) 내에서 상기 자동차 중심(M)에 그리고 자동차 횡방향(X)에 대하여 좌측 셀 스택(60)과 우측 셀 스택(60') 사이에 가스 공간(66)이 형성되며,
    상기 모듈 하부 벽(26)은 가스 공간(66)의 영역에서 자동차의 중심에 가스 제거 요소(30)를 갖는,
    트랙션 배터리 모듈(10)을 포함하는 자동차(100).
  2. 제1항에 있어서,
    가스 공간(66)은 실질적으로 직육면체이며, 자동차 횡방향(X)으로 최소 10cm의 폭(B)을 갖는, 트랙션 배터리 모듈(10)을 포함하는 자동차(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    가스 공간(66)은 실질적으로 직육면체이며, 자동차 횡방향(X)으로 최대 30cm의 폭(B)을 갖는, 트랙션 배터리 모듈(10)을 포함하는 자동차(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스 공간(66)은 실질적으로 직육면체이며, 수직 방향(Z)으로 셀 스택(60, 60')의 전체 수직 범위에 걸쳐서 연장되는, 트랙션 배터리 모듈(10)을 포함하는 자동차(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스 공간(66)은 실질적으로 직육면체이며, 자동차 종방향(Y)으로 셀 스택(60, 60')의 전체 종방향 범위(L)에 걸쳐서 연장되는, 트랙션 배터리 모듈(10)을 포함하는 자동차(100).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스 제거 요소(30)는 기밀성 파열판(32)으로서 형성되는, 트랙션 배터리 모듈(10)을 포함하는 자동차(100).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    모듈 하부 벽(26) 아래에, 가스 제거 요소(30)와 수직 정렬되어 자동차의 중심에 배치된 가스 제거 개구부(46)를 갖는 평면형의 수냉식 냉각 베이스(40)가 배치되는, 트랙션 배터리 모듈(10)을 포함하는 자동차(100).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    자동차 종방향(Y)으로 볼 때 서로 인접하여 배치된 적어도 2개의 셀 스택 쌍(600, 600')이 제공되며,
    상기 2개의 가스 공간(66, 66')은 기밀 방식으로 서로 분리되고, 각각의 가스 공간(66, 66')에 각각 전용 가스 제거 요소(30, 30')가 할당되는, 트랙션 배터리 모듈(10)을 포함하는 자동차(100).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    모듈 하우징(20)의 4개의 측벽(21 내지 24)은 압출 프로파일로부터 일체형으로 형성되는, 트랙션 배터리 모듈(10)을 포함하는 자동차(100).
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