KR20230077683A - 전지 브래킷, 전지 브래킷을 포함하는 전지 팩 및 전지 팩을 포함하는 차량 - Google Patents

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KR20230077683A
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Abstract

실시예에 따른 전지 브래킷은, 전지 팩 케이스를 차량에 장착하기 위한 전지 브래킷로서, 하부와 상기 하부와의 사이에 캐비티를 형성하는 상부를 포함하고, 상기 전지 팩 케이스의 외측면에 고정되는 외측 구조물, 및 상기 외측 구조물의 캐비티 내로 상기 외측 구조물의 하부와 상부 사이에 사행 구조로 배치되는 내측 구조물을 포함한다. 상기 내측 구조물은 상기 외측 구조물의 하부와 하부 접촉 영역에서 접촉되고 상기 외측 구조물의 상부와 상부 접촉 영역에서 접촉된다.

Description

전지 브래킷, 전지 브래킷을 포함하는 전지 팩 및 전지 팩을 포함하는 차량{Battery bracket, battery pack including the battery bracket, and vehicle including the battery pack}
본 발명의 측면은 2개의 반제품 즉, 외측 구조물과 내측 구조물을 포함하는 측면 전지 브래킷에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안, 물건과 사람들의 운송 수단은 전력을 동력원으로 사용하여 개발되고 있다. 전기 자동차는 이차 전지에 저장된 에너지를 사용하여 전기 모터에 의해 추진되는 자동차이다. 전기 자동차는 전지로만 구동되거나 가령 가솔린 발전기에 의해 적어도 부분적으로 구동되는 하이브리드 자동차일 수 있다. 또한, 전기 자동차는 전기 모터와 기존 연소 엔진의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로 전기 차량 전지(EVB) 또는 견인(트랙션) 전지는 전지 전기 차량(BEV)의 추진에 사용되는 전지이다. 전기 자동차 전지는 지속적인 시간 동안 전원을 공급하도록 설계되었기 때문에 시동, 조명 및 점화 전지와는 다르다. 충전식 또는 이차 전지는 충전과 방전을 반복할 수 있다는 점에서 일차 전지와 다르며, 후자는 화학 물질을 전기 에너지로 비가역적으로 변환할 뿐이다. 일반적으로 휴대전화, 노트북, 캠코더 등의 소형 전자기기의 전원은 소용량 이차 전지가 사용되고, 하이브리드 자동차 등의 전원은 고용량 이차 전지가 사용된다.
일반적으로 이차 전지는 양극, 음극, 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 및 전극 조립체와 전기적으로 연결된 전극 단자를 포함한다. 양극, 음극 및 전해액의 전기 화학 반응을 통해 전지의 충전과 방전이 가능하도록 전해액이 케이스에 주입된다. 케이스의 형상(예: 원통형 또는 직사각형)은 전지의 용도에 따라 다르다. 노트북 및 가전 제품에 널리 사용되는 리튬 이온 (및 유사한 리튬 폴리머) 전지는 개발중인 가장 최근의 전기 차량 그룹에서 가장 두드러진다.
이차 전지는 고 에너지 밀도를 제공하기 위하여(예: 하이브리드 차량의 모터 구동용) 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 단위 전지 셀로 형성되는 전지 모듈로서 사용될 수 있다. 즉, 전지 모듈은 필요한 전력량에 부합하고, 예컨대, 전기 차량의 고출력 이차 전지를 구현하기 위하여, 다수의 단위 전지의 전극 단자를 서로 연결하여 형성된다.
전지 모듈은 블록형(block) 구조 또는 모듈형(module) 구조로 구성될 수 있다. 블록형 구조에서, 각 전지 셀은 공통된 집전체 구조와 공통된 전지 관리 시스템에 연결된다. 모듈형 구조에서는, 서브 모듈이 다수의 전지 셀을 연결하여 형성되고, 전지 모듈은 다수의 서브 모듈을 연결하여 형성된다. 차량 애플리케이션에서 전지 시스템은 원하는 전압을 제공하기 위해 직렬로 연결된 복수의 전지 모듈로 구성되는 경우가 많다. 여기서 전지 모듈은 복수의 전지 셀이 적층된 서브 모듈을 포함할 수 있으며, 전지 모듈에서 병렬로 연결된 셀을 포함하는 서브 모듈은 직렬로 연결되거나(XpYs) 직렬로 연결된 셀을 포함하는 서브 모듈은 병렬로 연결될 수 있다(XsYp).
전지 팩은 여러 개의 (일반적으로 동일한) 전지 모듈 세트이다. 이들은 원하는 전압, 용량 또는 전력 밀도를 제공하기 위해 직렬, 병렬 또는 두 가지를 혼합 방식으로 구성될 수 있다. 전지 팩의 구성 요소에는 개별 전지 모듈과 그 사이에 전기 전도성을 제공하는 상호 연결부가 포함된다.
이러한 전지 팩의 기계적 통합은 개별 구성 요소(예: 전지 모듈) 사이 및 전지 팩과 차량의 지지 구조물 사이에 적절한 기계적 연결을 필요로 한다. 이 연결은 전지 시스템의 평균 서비스 수명 동안 기능을 유지하여야 하고 소비자가 사용하는 동안 가해지는 스트레스 하에서 기능적이고 안전하게 유지되도록 설계되어야 한다. 특히, 모바일 애플리케이션에서 설치 공간, 호환성 및 안전 요구 사항이 충족되어야 한다.
전지 모듈 또는 나아가 전지 시스템의 기계적 통합은 하우징 또는 캐리어 프레임 워크(carrier framework)를 제공하고 그 위에 전지 모듈을 배치함으로써 달성될 수 있다. 전지 셀 또는 전지 모듈의 고정은 프레임 워크에 장착된 함몰부 또는 볼트 또는 나사와 같은 기계적인 상호 연결구에 의해 달성될 수 있다. 대안적으로, 전지 모듈은 측면 플레이트를 캐리어 프레임 워크의 측면에 고정함으로써 구속된다. 또한, 커버 플레이트는 전지 모듈의 상부와 하부에 고정될 수 있다.
전지 팩의 캐리어 프레임 워크는 차량의 운반 구조물에 장착된다. 전지 팩이 차량 바닥에 고정되어야 하는 경우, 기계적 연결은 가령 전지 팩의 캐리어 프레임 워크를 통과하는 볼트에 의해 바닥면에 설정될 수 있다. 프레임 워크는 일반적으로 총 중량을 낮추기 위해 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어진다.
관련 기술에 따른 전지 시스템은 임의의 모듈 구조에도 불구하고, 일반적으로 주위 환경에 대해 전지 시스템을 밀폐시키기 위한 인클로저(enclosure)로서 작용하고 전지 시스템의 구성 요소의 구조적인 보호를 제공하기 위한 전지 하우징을 포함한다. 내장된 전지 시스템은 일반적으로 전기 차량과 같은 애플리케이션 환경에 전체적으로 장착된다. 따라서 결함이 있는 시스템 부품(예: 결함이 있는 전지 서브 모듈)을 교체하려면 전체 전지 시스템을 분리하고 하우징을 먼저 제거해야 한다. 소형 및/또는 저가의 시스템 부품의 결함이 있는 경우에도 전지 시스템 전체를 분리 및 교체하고 별도의 수리를 수행할 수 있다. 고용량 전지 시스템은 고가이면서 부피가 커서 무겁기 때문에 상기한 절차를 밟기가 부담스럽고, 부피가 큰 전지 시스템은 보관이 어려워진다.
대부분의 전지 팩 케이스는 나사 방식으로 고정되는 강철 또는 알루미늄 다이로 주조된 전지 브래킷을 갖는 알루미늄 주조 전지 팩 케이스이다. 그런데 이러한 전지 팩 케이스는 차량 섀시에 연결될 때 선택된 지점에만 연결이 가능하기 때문에 전지 팩을 차량에 장착할 가능성을 제한한다.
본 발명의 실시예는 적어도 기하학적 구조, 생산 및 재료 특성이 개선된 전지 팩을 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예는 측면으로부터 하나 이상의 외부 충격체(예: 차량 차원의 충돌 또는 치량 충돌 사건의 경우)의 하중을 견딜 수 있는 하우징 구조의 일부인 측면 전지 부재(예: 전지 브래킷)를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 전지 팩 케이스를 차량 내부에 장착하기 위한 전지 브래킷을 제공한다. 전지 브래킷은, 하부와 이 하부와의 사이에 캐비티(또는 공동)를 형성하는 상부를 포함하는 외측 구조물, 및 상기 캐비티 내에 배열된 내측 구조물을 포함한다. 외측 구조물은 전지 팩 케이스의 외측면에 고정되도록 구성된다. 내부측 구조물은 외측 구조물의 하부와 하나 이상의 하부 접촉 영역에서 접촉되고 상기 외측 구조물의 상부와 하나 이상의 상부 접촉 영역에서 접촉되며, 사행 구조를 가지고 하부와 상부 사이에 배치된다.
본 발명의 다른 실시예는 전술한 실시예에 따른 전지 브래킷이 고정되는 적어도 하나의 외측면을 갖는 케이스를 포함하는 전지 팩을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 전지 팩을 포함하는 차량을 제공한다.
본 발명의 추가 측면 및 특징은 종속항 및/또는 다음 설명으로부터 알 수 있다.
실시예에 따른 전지 팩용 전지 브래킷은 적어도 기하학적 구조, 생산 및 재료 특성을 개선하면서 측면으로부터 외부 충격체에 대한 하중을 견딜 수 있도록 전지 팩에 제공될 수 있다.
본 개시의 측면 및 특징은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세하게 설명함으로써 당업자에게 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 브래킷이 전지 팩 케이스에 설치된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 브래킷의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 브래킷의 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 브래킷의 개략적인 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 외력이 전지 브래킷에 충격을 가한 상태에서 일 실시예에 따른 전지 브래킷의 변형을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 보다 구체적으로 설명하며, 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명되는 실시예에만 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시가 완전하고, 본 개시의 양태 및 특징이 당업자에게 충분히 전달될 수 있도록 예시로서 제공된다.
따라서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 측면 및 특징에 대한 완전한 이해를 위해 필요하지 않은 프로세스, 요소 및 기술에 대해서는 설명하지 않을 수 있다. 도면에서 구성 요소, 층 및 영역의 상대적인 크기는 명확성을 위해 과장되게 표현될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 "및(그리고)/또는"이라는 용어는 하나 이상의 연관된 나열된 항목의 임의의 및 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명할 때 "할 수 있다"라는 용어는 "본 발명의 하나 이상의 실시예"를 의미한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 단수형의 용어는 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수형을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "사용하다", "사용", "사용된"은 각각 "활용하다", "활용" 및 "활용된"라는 용어와 동의어로 간주될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "실질적으로", "약" 및 이와 유사한 용어는 정도가 아닌 근사치로 사용되며, 통상의 기술자에 의해 인식될 측정된 또는 계산된 값의 내재적 편차를 설명하고자 하는 것이다. 본 명세서에 사용된 용어 "실질적으로", "약" 및 유사한 용어는 정도의 용어가 아닌 근사치의 용어로 사용되며, 측정 또는 계산된 값의 내재적 변동을 설명하기 위한 것입니다. 당업계에서 통상의 지식을 가진 자.
용어 "제1", "제2", "제3" 등은 다양한 요소, 구성요소, 영역, 층 및/또는 섹션을 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소, 구성요소, 영역, 레이어 및/또는 섹션은 이러한 용어로 제한되어서는 안 된다. 이러한 용어는 하나의 요소, 구성 요소, 영역, 레이어 또는 섹션을 다른 요소, 구성 요소, 영역, 레이어 또는 섹션과 구별하는 데 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. 단일 형태의 표현은 달리 명시되지 않는 한 여러 구성 요소를 포함하는 것을 의미한다. "적어도 하나"와 같은 표현은 구성 요소 목록 앞에 있을 때, 전체 구성 요소 목록을 수식하고 목록의 개별 요소를 수식하지 않는다. 용어 "포함하다"는 특성, 영역, 고정된 수, 단계, 프로세스, 구성 요소 및 이들의 조합을 특정하지만 다른 특성, 영역, 고정된 수, 단계, 프로세스, 구성 요소 및 이들의 조합의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도면에서 X축, Y축 및 Z축은 직교 좌표계의 3축에 한정되지 않고 보다 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, X축, Y축 및 Z축은 서로 수직이거나 실질적으로 수직일 수 있거나, 서로 수직이 아닌 서로 다른 방향을 나타낼 수 있다. 본 명세서에서 "상부" 및 "하부"라는 용어는 Z축에 따라 정의된다. 예를 들어, 상부 커버는 Z축의 상부에 위치하고, 하부 커버는 Z축의 하부에 위치한다 도면에서 요소, 층 및 영역의 상대적 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다. 예를 들어, 도면에서 각 구성 요소의 크기나 두께는 예시를 위해 임의로 나타낸 것으로, 본 발명의 실시예가 이로써 한정되지는 않는다.
일 구성 요소 또는 층이 다른 일 구성 요소 또는 층의 "위에", "연결되어" 또는 "결합한" 것으로 표현할 경우, 이는 다른 일 구성 요소 또는 층에 직접 연결될 수 있거나, 구성 요소 사이에 하나 이상의 개재된 또 다른 구성 요소 또는 층이 존재할 수 있다. 또한, 일 구성 요소 또는 층이 2개의 다른 구성 요소 또는 층 "사이에" 있는 것으로 언급될 때, 2개의 구성 요소 또는 층 사이에 단지 구성 요소 또는 층이 있거나, 적어도 하나 이상의 중간 구성 요소 또는 층이 존재하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 제1 구성 요소가 제2 구성 요소에 "결합된" 또는 "연결된"것으로 설명되는 경우, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소에 직접 결합되거나 연결될 수 있거나, 제1 요소는 하나 이상의 개입 요소를 통해 제2 구성 요소에 간접적으로 결합되거나 연결될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예는 전지 팩 케이스를 차량 내부에 장착하기 위한 전지 브래킷을 제공한다. 전지 브래킷은, 하부와 이 하부와의 사이에 캐비티(또는 공동)를 형성하는 상부를 포함하는 외측 구조물, 및 상기 캐비티 내에 배열된 내측 구조물을 포함한다. 외측 구조물은 전지 팩 케이스의 외측면에 고정되도록 구성된다. 내측 구조물은 사행 구조를 가지고 외측 구조물의 하부와 상부 사이에 배치되며, 외측 구조물의 하부와 하나 이상의 하부 접촉 영역에서 접촉되고 외측 구조물의 상부와 하나 이상의 상부 접촉 영역에서 접촉된다.
본 명세서에서 "전지 팩 케이스"라는 용어는 전지 팩을 수용하도록 구성된 케이스에 관한 것이다. 또한, "영역" 등의 용어는 본 명세서의 문맥에서 "면적"이라는 용어 대신에 또는 이에 더하여 사용될 수 있다. 또한 "케이싱" 또는 "하우징"이라는 용어는 "케이스" 대신 또는 "케이스"와 함께 사용될 수 있다. 또한 "하부"와 "상부"라는 용어는 외측 구조물의 서로 다른 두 부분을 간단하고 직관적이며 이해하기 쉬운 방식으로 구분하는 데 사용된다. 물론, 용어 "하부" 및 "상부"는 예를 들어 "제1 부분" 및 "제2 부분"이라는 표현으로 본 개시 전체에서 대체될 수 있다. 또한, "전지 측면 부재"라는 용어는 "전지 브래킷"을 대체하여 사용할 수 있다.
실시예를 통해 내측 구조물은 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개 또는 그 이상의 하부 접촉 영역을 가질 수 있다. 또한, 내측 구조물은 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개 또는 그 이상의 상부 접촉 영역을 가질 수 있다.
실시예를 통해 내측 구조물에는 각각의 하부 및/또는 상부에 고정되지 않는 하부 및/또는 상부 접촉 영역이 있을 수 있다. 이러한 실시예에서, 내측 구조물은 외측 구조물이 내측 구조물의 하부 및/또는 상부 접촉 영역 중 적어도 일부에 힘이 작용하도록 변형될 때, 외측 구조물의 내부 표면 상에서(예를 들어, 캐비티의 표면 상에서) 활주하거나 미끄러질 수 있다. 그러나 내측 구조물의 탄성으로 인해 내측 구조물은 접촉 영역을 통해 외측 구조물에 반작용력을 가할 수 있다. 이러한 반력은 외측 구조물의 변형을 허용하는 동시에 외측 구조물을 어느 정도 지지(예: 안정화)한다.
사행(蛇行) 또는 미앤더링(meandering)이라는 용어는 내측 구조물이 외측 구조물의 하부와 상부에 교대로 접촉하는 것을 의미할 수 있다. 그러나, 다른 실시예를 통해 내측 구조물은 외측 구조물의 각각의 다른 부분과 접촉하기 전에 외측 구조물의 하부 및 상부 중 하나와 2회 이상 접촉할 수 있다.
전지 팩의 측면에 대한 외측 구조물의 고정은 용접에 의해 이루어질 수 있다. 그러나, 일부 실시예를 통해 전지 팩의 외측면에 대한 외측 구조물의 고정은 나사 결합과 같은 다른 고정 방법에 의해 대안적으로 또는 추가적으로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 전지 브래킷의 일 실시예에 따르면, 상기 하부 접촉영역 중 적어도 하나에서 내측 구조물이 외측 구조물의 하부에 고정된다.
전지 브래킷의 일 실시예에 따르면, 상기 내측 구조물은 상기 상부 접촉 영역 중 적어도 하나에서 외측 구조물의 상부에 고정된다.
실시예를 통해, 내측 구조물은 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개 또는 그 이상의 하부 접촉 영역에서 외측 구조물 하부에 고정될 수 있다. 또한, 내측 구조물은 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개 또는 그 이상의 상부 접촉 영역에서 외측 구조물의 상부에 고정될 수 있다.
실시예를 통해 내측 구조물은 모든 하부 접촉 영역에서 외측 구조물의 하부에 고정될 수 있다. 또한, 모든 상부 접촉 영역에서 내측 구조물이 외측 구조물의 상부에 고정될 수 있다.
내측 구조물이 캐비티의 내부 표면에 고정되지 않고 접촉만 하는 경우에 비해, 외측 구조물의 변형시 외측 구조물에 대한 내측 구조물의 안정화 효과(예: 지지)는 증가하며, 내측 구조물이 외측 구조물에 고정되는 하부 및 상부 접촉 영역 사이의 내측 구조물을 통해 전단력이 전달되므로 내측 구조물은 외측 구조물에 고정될 수 있다. 따라서, 외측 구조물에 작용하는 외력에 의한 외측 구조물의 변형은 내측 구조물이 외측 구조물에 고정되지 않은 실시예에 비해 감소될 수 있다.
외측 구조물의 하부 및/또는 상부에 대한 내측 구조물의 고정은 용접에 의해 이루어질 수 있다. 그러나, 일부 실시예를 통해 하부 및/또는 상부에 대한 내측 구조물의 고정 나사 결합과 같은 다른 고정 방법에 의해 대안적으로 또는 추가적으로 이루어질 수도 있다.
전지 브래킷의 일 실시예에 따르면, 하부와 상부 사이에 형성된 캐비티는 개구부를 갖는다. 하부는 개구부 측에 배치되는 하부 플랜지를 포함하고, 상부는 개구부 측에 배치되는 상부 플랜지를 포함한다. 하부 플랜지와 상부 플랜지는 각각 전지 팩 케이스의 외측면에 고정되도록 구성된다.
일 실시예에서, 하부 플랜지 및 상부 플랜지는 각각 캐비티의 개구부로부터 멀어지는 방향으로 향한다. 플랜지는 각각 외측 구조물을 전지 팩의 외측면에 고정할 수 있게 하는 고정 부재(예: 패스너)의 예로 할 수 있다. 그러나, 다른 실시예를 통해 외측 구조물을 전지 팩의 외측면에 고정할 수 있도록 대안적으로 또는 추가적으로 다른 체결 방법이 제공될 수 있다.
전지 브래킷의 일 실시예에 따르면, 캐비티의 개구부 반대쪽에 위치한 영역은 빈 공간으로 남게 된다. "빈 공간"이라는 표현은 캐비티의 각 영역이 내측 구조물에 의해 채워지지 않음을 나타낸다. 따라서 이 영역에서는 외측 구조물이 내측 구조물에 의해 지지되지 않으며 이로 인해 외측 구조물에 작용하는 외부 기계적 에너지를 내측 구조물에 의해 지지되는 외측 구조물의 영역(예: 제2 크러쉬 영역)보다 더 크게 흡수할 수 있는 제1 크러쉬 영역을 구현할 수 있다.
전지 팩의 케이스 외측면에 전지 브래킷을 고정할 때, 내측 구조물의 선단부(예: 측면에 고정된 영역의 반대쪽 영역 또는 측면에 가장 가까운 영역)는 외측 구조물의 선단부에 거리를 두고 배치된다. 이에 따라 내측 구조물이 외측 구조물 내부에 위치할 때 높은 강성을 갖는 크러쉬 영역(예: 제2 크러쉬 영역)에 비해 낮은 강성을 갖는 크러쉬 영역(예: 제1 크러쉬 영역)이 내측 구조물의 선단부 외부에 제공된다.
전지 브래킷의 일 실시예에 따르면, 캐비티의 개구부로부터 캐비티를 통해 또는 캐비티로 향하는 방향으로 따라 볼 때, 외측 구조물의 단면 프로파일은 적어도 단면 프로파일의 영역에서 점점 좁아진다.
본 발명의 일실시예에 따른 전지 브래킷은 내측 구조물의 일 영역이 전지 팩 케이스의 외측면에 고정되도록 구성된다.
전술한 내측 구조물의 영역은 외측 구조물에 의해 형성된 캐비티의 개구부와 마주하는 전지 팩의 케이스의 외측면에 고정되도록 구성된다. 그렇지 않으면 내측 구조물과 케이스 사이에 성립될 수 있는 기계적 연결은 없다. 전지 팩의 케이스에 전지 브래킷을 장착할 때, 전지 팩의 케이스 외면에 고정되는 내측 구조물의 하부 플랜지, 상부 플랜지 및 전술한 각 영역은 전지 팩의 케이스 전면에 한번에 고정될 수 있다.
전지 팩의 측면에 대한 내측 구조물 고정은 용접에 의해 이루어질 수 있다. 그러나, 일부 실시예를 통해, 전지 팩의 측면에 대한 내측 구조물의 고정은 나사 결합과 같은 다른 고정 방법에 의해 대안적으로 또는 추가적으로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 전지 팩 케이스의 외측면에 고정되는 내측 구조물의 영역은 상기 내측 구조물의 하부 접촉 영역 중 하나와 내측 구조물의 상부 접촉 영역 중 하나 사이의 상기 내측 구조물의 표면 상에 위치할 수 있다.
전지 브래킷이 전지 팩의 케이스 외측면에 고정된 경우 전지 브래킷의 단면 프로파일을 보면, 내측 구조물이 먼저 외측 구조물의 상부에 접촉(또는 고정)된 후 전지 팩의 외측면에 고정되고, 이 후 외측 구조물의 하부에 접촉(또는 고정)될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 전지 브래킷의 단면 형상(프로파일)은 상기 외측면과 수직한 방향에서 보았을 때 적어도 상기 브래킷의 일부 영역에서 일정하다.
예를 들어, 전지 브래킷의 일 방향에 대해 외측 구조물의 곡률 뿐만 아니라 내측 구조물 곡률이 0인 경우가 있다. 즉, 외측 구조물 및 내측 구조물의 곡률은 평행한 곡률축을 갖는 곡률이다(곡률 및 각 곡률축은 일반적으로 곡선 구조의 표면의 모든 지점에 대해 차등적으로 변경되므로 외측 구조물의 어느 점 및 외측 구조물의 어느 표면에서도 마찬가지이다). 일반적으로 전지 브래킷은 전지 팩 케이스의 평면 측면을 따라 연장되도록 구성된 가늘고 긴 몸체이다. 전지 브래킷이 케이스의 측면에 고정된 경우, 전지 브래킷의 단면 프로파일은 적어도 측면의 주요 영역에 걸쳐 이 측면에 수직으로 절단된 모든 단면에 대해 동일하다. 그러나 실시예에서 전지 브래킷의 단부(전술한 단면에 수직인 방향에 대해)는 예를 들어 전지 브래킷의 단부 캡을 형성하기 위해 다른 단면을 가질 수 있다.
전지 브래킷의 일 실시예에 따르면, 외측 구조물은 한 몸의 금속으로 만들어진 금속 시트로 만들어질 수 있다.
전지 브래킷의 일 실시예에 따르면, 내측 구조물은 한 몸의 금속으로 만들어진 금속 시트로 만들어질 수 있다.
전지 브래킷의 일 실시예에 따르면, 외측 구조물은 강판으로 이루어질 수 있다.
전지 브래킷의 일 실시예에 따르면, 내측 구조물은 강판으로 이루어질 수 있다.
전지 브래킷의 일 실시예에 따르면, 외측 구조물은 냉간 압연 강판으로 이루어질 수 있다.
전지 브래킷의 일 실시예에 따르면, 내측 구조물은 냉간 압연 강판으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 전지 브래킷의 일실시예에 따르면, 외측 구조물과 내측 구조물은 각각, 냉간 압연 강판으로 이루어지며 외측 구조물의 냉간 압연 강판은 내측 구조물의 냉간 압연 강판보다 강재의 등급이 높을 수 있다.
본 발명의 제2 실시예는 케이스를 포함하는 전지 팩을 제공한다. 케이스는 제1 실시예에 따른 전지 브래킷이 고정되는 적어도 하나의 외측면을 갖는다.
일부 실시예에서, 전지 팩의 케이스는 실질적으로 직육면체 형상을 갖거나 평행육면체 또는 각기둥(예: 사다리꼴 베이스 영역을 갖는 각기둥)과 같은 형상을 갖는다. 이러한 전지 팩 케이스는 6개의(대략 평면) 측면을 갖는다. 따라서, 실시예의 전지 팩은 전지 팩의 케이스 측면 중 1개, 2개, 3개, 4개, 5개 또는 6개에 전술한 바와 같은 전지 브래킷을 장착할 수 있다.
본 발명에 따른 전지 팩의 일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 외측면은 강철로 이루어진 외층을 갖는다.
본 발명에 따른 전지 팩의 일 실시예에 있어서, 상기 케이스는 평면 형상으로 형성되고 상기 전지 브래킷이 고정되는 외측면과 수직하게 배열되는 적어도 하나의 보강재를 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 실시예는 상술한 제2 실시예에 따른 적어도 하나의 전지 팩을 포함하는 차량을 제공한다.
기계적 관점에서 볼 때 더 높은 강도, 더 나은 연성 및 피로 성능을 가진 재료를 사용하면 전지 팩 하우징(예: 용접 브래킷이 있는 하우징)의 전반적인 성능을 향상시킬 수 있으며 동시에 차량 섀시의 충전식 에너지 저장 시스템(RESS)에 필요한 공간을 절약하여 높은 체적(또는 질량) 에너지 밀도를 제공할 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 측면 부재(이하 "전지 브래킷"이라고도 함)의 크러쉬 폴딩 영역은 전지 팩 하우징 및 셀 스택 공간 외부에 있어야 한다. 예를 들어, 측면 부재로 측면 전지 하우징 길이를 덮으면 전지 팩 하우징의 추가 보강재 요소에 충격력을 분산시킬 수 있다.
강철은 생산 중에 쉽게 다룰 수 있는(예: 성형, 절단, 접합 등) 일반적인 재료이다. 또한 강철은 높은 내화성을 나타내며, 강철의 융점은 온도 상승에 따른 물리적 재료 특성의 저하가 알루미늄과 같이 일반적으로 사용되는 다른 금속에 비해 덜 중요할 정도로 충분히 높다. 이는 예를 들어 (오프셋) 항복점 R p0,2(T), 인장 강도 Rm(T) 및 팽창 계수 ε(T)와 관련되며, 이러한 양은 각각 온도 T의 함수이다. 예를 들어, 팽창 계수 ε(T)는 전지 시스템의 오작동(예: 전지 셀의 열 폭주 및 그에 따른 열 전파)의 경우 더 안전한 전지 시스템에 기여할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 전지 팩 하우징에 전지 브래킷을 고정하는 방법을 포함한다. 예를 들어, 전지 팩 하우징에 전지 브래킷을 용접하면 설계 솔루션에서 별도의 부품으로 구현되는 전지 브래킷과 비교하여 제조, 운송 및 투자 비용(예: 가공 도구)과 관련하여 비용을 절감할 수 있다.
측면 전지 부재(예: 전지 브래킷)를 측면에서 오는 하나 이상의 외부 충격(예: 차량 수준의 충돌 또는 충돌 이벤트의 경우)의 하중을 견딜 수 있는 하우징 구조의 일부로 설계하려면, 측면 전지 부재는 적절한 연성(기하학적 구조 및 재료 관점에서)을 나타내야 한다. 측면 전지 부재는 외부 충격의 힘을 하우징 내부의 보강재 구조로 안내(또는 분산)하면서 하우징 내부의 전지 셀의 변형을 방지할 수 있다. 따라서 측면 부재의 크러쉬 영역(예: 크러쉬 폴딩 영역)은 전지 케이스 외부에 유지된다. 더욱이, 측면 전지 부재는 충격에 대해 점진적인 저항 거동을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 브래킷(10)이 전지 팩 케이스에 설치된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1에는 전지 팩을 수용하는 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)에 전지 브래킷(10)이 장착된 상태가 도시되어 있다. 도 1에는 전지 팩 케이스(20)의 일부만이 도시되어 있다. 전지 브래킷(10)은 외측 구조물(12)과 내측 구조물(14)을 포함한다. 외측 구조물(12)과 내측 구조물(14)은 2개의 서로 다른 선형 반제품으로 각각은 예를 들어 냉간 압연된 강철 프로파일이다. "선형"이라는 용어는 도 1의 도면 평면에 대해 수직한 방향으로 배치된 좌표계의 Y축을 지칭한다. 예를 들어, 외측 구조물(12)과 내측 구조물(14)은 Y축 방향을 따라 선형으로 연장된다(도 2 및 도 3 참조). 이에 전지 브래킷(10)의 단면 프로파일은 X-Z 평면에 평행한(즉, 도 1의 평면에 평행한) 평면을 따라 절단된 전지 브래킷(10)의 어느 교차점(또는 단면)에 대해 동일하다.
실시예에서, 외측 구조물(12)을 형성하는 냉간 압연된 강철 프로파일은 더 높은 강재 등급(예: 고급 또는 초고강 강철 등급)을 갖는 강재 그룹에 속하는 재료로 제조된다. 외측 구조물(12)의 강재 등급은 전지 브래킷(10)을 위한 설계 공간 및 전지 브래킷(10)이 견딜 수 있어야 하는 충격에 따라 선택되어야 한다. 이에 반해 내측 구조물(14)을 형성하는 냉간 압연 강철 프로파일은 외측 구조물(12)의 강재 등급보다 낮은 강재 등급을 갖는 강재 그룹에 속하는 재료로 이루어진다. 예를 들어, 강재의 (오프셋) 항복점 R p0.2에 대하여, 외측 구조물(12)의 (오프셋) 항복점은 내측 구조물(14)의 (오프셋) 항복점보다 크다. 더 낮은 재료 등급을 가진 강철은 더 낮은 강성을 제공할 수 있지만 더 높은 재료 등급을 가진 강철과 비교할 때 파손 없이 더 큰 변형이 가능하도록 더 높은 정도의 연성을 제공할 수 있다. 내측 구조물(14)은 가능한 한 파손되지 않고 전체 이동(예: 변형의 경우)에 걸쳐 에너지를 흡수해야 한다. 전술한 바와 같은 재료의 선택은 외부 충격력으로 인한 외측 구조물(12)의 변형 시 내측 구조물(14)의 형상이 외측 구조물(12)의 형상 변화에 적응할 수 있게 한다. 이에 대해서는 도 4a 및 도 4b를 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
외측 구조물(12)은 좌표계의 Z축에 대해 하부(12a) 및 상부(12b)를 갖는다. 하부(12a)와 상부(12b)는 예를 들어, 도 1을 기준하여 X축 방향을 따라 외측 구조물(12)을 대략 절반으로 나누어 구분될 수 있다. 외측 구조물(12)의 하부(12a)와 상부(12b) 사이에는 캐비티(C)가 형성된다. 도 1을 기준으로 볼 때, 외측 구조물(12)의 좌측 단부에서, 캐비티(C)는 개구부(O)를 갖는다. 캐비티(C)는 개구부(O)의 반대쪽 끝에서 막힌다.
개구부(O)에는 2개의 플랜지 즉, 하부 플랜지(120a)와 상부 플랜지(120b)가 배치된다. 하부 플랜지(120a)는 외측 구조물(12)의 하부(12a)의 일부로 형성되고, 이에 대응하여 상부 플랜지(120b)는 외측 구조물(12)의 상부(12b)의 일부로 형성된다. 각각의 플랜지(120a, 120b)는 개구부(O)로부터 돌출(또는 연장)된다. 플랜지(120a, 120b)는 각각 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)에 고정되도록 구성된다. 따라서, 플랜지(120a, 120b) 각각은 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)과 면 접촉하도록 구성된 접촉 영역(122, 124)을 제공한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)은 반드시 기본적으로 평면 형상을 가질 필요는 없다. 예를 들어, 외측면(22)의 상부 영역(예를 들어, 상부 플랜지(120b)와 접촉하는 외측면(22)의 영역)은 기본적으로 수직으로 배열(예를 들어, Z축과 Y축에 걸쳐 평면을 형성함)되고, 외측면(22)의 하부 영역은 Y-Z 평면에 대해 일정한 각도를 두고 경사진다. 따라서, 플랜지(120a, 120b)의 형상은 플랜지(120a, 120b)가 고정되는 외측면(22) 상의 각 영역의 표면 형상을 반영(또는 대응)한다. 다시 말해, 도시된 실시예에서 상부 플랜지(120b)는 직립(또는 수직)으로 배치되고 하부 플랜지(120a)는 외측면(22)의 하부 영역과 동일한 각도만큼 Y-Z 평면에 대해 경사지게 배치된다.
도 1에는 전지 브래킷(10)이 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)에 장착된 상태, 예를 들어 각 플랜지(120a, 120b)가 외측면(22)에 고정된 상태가 도시되어 있다. 외측면(22)에 대한 플랜지(120a, 120b)의 고정은 예시된 실시예에서 용접에 의해 이루어질 수 있다. 용접을 용이하게 하기 위해, 외측면(22)은 강철로 만들어진 외층(24)을 포함할 수 있다. 그러나 대안적인 실시예에서, 외측면(22)에 대한 플랜지(120a, 120b)의 고정은 나사, 리벳 등과 같은 다른 고정 방법에 의해 대안적으로 또는 추가적으로 실현될 수 있다.
도 1을 기준하여 Y축 방향에서 보고 외측 구조물(12)을 대략 절반으로 나누어 좌측 영역과 우측 영역으로 구분하고, 플랜지(120a, 120b)에서 시작하여 외측 구조물(12)의 하부(12a) 및 상부(12b)는 좌표계의 X축 방향에서 보았을 때 외측 구조물(12)의 좌측 영역에서 서로를 향해 연장된다. 즉, 도 1에 도시된 전지 브래킷(10)의 외측 구조물(12)은 외측 구조물(12)의 좌측 영역에서 점점 좁아진다. 대조적으로, 외측 구조물(12)의 하부(12a) 및 상부(12b)는 외측 구조물(12)의 우측 영역에서 평행하게 연장된다.
내측 구조물(14)은 외측 구조물(12) 내부에 형성된 캐비티(C)에 수용된다. 내측 구조물(14)은 외측 구조물(12)의 상부(12b)와 하부(12a) 사이에서 사행(蛇行)된 구조로 굴곡지게 배치된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 외측 구조물(12)의 하부(12a) 및 상부(12b)가 교대로 내측 구조물(14)에 접촉되도록 내측 구조물(14)은 4개의 접촉 영역(31, 32, 33, 34)에서 외측 구조물(12)의 내부 표면에 접촉된다. 예를 들어, 내측 구조물(14)의 제1 단부는 외측 구조물(12)의 테이퍼링(tapering) 영역(예를 들어, 좌측 영역) 내에서 외측 구조물(12)의 상부(12b)와 접촉하는 제1 접촉 영역(31)을 형성한다. 도 1의 내측 구조물(14)의 사행선을 따라 외측 구조물(12)과 내측 구조물(14)의 다음 접촉은 외측 구조물(12)의 테이퍼링 영역 내의 외측 구조물(12)의 하부(12a)에 형성되는 제2 접촉 영역(32)을 통해 이루어진다. 도 1의 내측 구조물(14)에 더욱 따르면, 내측 구조물(14)은 제3 접촉 영역(33)의 영역에서 상부(12b)와 다시 접촉한다. 제3 접촉 영역(33)은 하부(12a) 및 상부(12b)가 서로 평행하게 연장되는 외측 구조물(12)의 일부에 위치된다. 내측 구조물(14)은 하부(12a) 및 상부(12b)가 서로 평행하게 연장되는 영역(예: 도 1에 도시된 외측 구조물(12)의 오른쪽 영역)에서 외측 구조물(12)의 하부(12a)와 접촉되는 제4 접촉 영역(34)에서 접촉되도록 하방으로 구부러진다.
상기한 4개의 접촉 영역(31, 32, 33, 34)에 의해 내측 구조물(14)은 외측 구조물(12)의 내부에서 외측 구조물(12)의 하부(12a) 및 상부(12b)에 지지되어 캐비티(C) 내에서 연장되는 영역에서 외측 구조물(12)을 안정화시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 내측 구조물(14)은 4개의 접촉 영역(31, 32, 33, 34) 각각에서 외측 구조물(12)에 고정된다. 그러나, 다른 실시예에서, 내측 구조물(14)은 접촉 영역(31, 32, 33, 34) 중 적어도 일부에서 외측 구조물(12)에 고정되지 않을 수도 있다. 물론, 이러한 실시예에서도 내측 구조물(14)은 외측 구조물(12)을 지지할 수 있다. 외측 구조물(12)의 변형 시, 내측 구조물(14)의 접촉 영역은 외측 구조물(12)의 내부 표면을 따라 미끄러질 수 있다. 그러나, 내측 구조물(14)이 외측 구조물(12)에 고정되는 접촉 영역에서는 이러한 슬라이딩이 방지된다. 내측 구조물(14)이 외측 구조물(12)에 고정되지 않거나 일부 접촉 영역(31, 32, 33, 34)에만 고정된 실시예에서는 내측 구조물(14)과 외측 구조물(12)이 각각의 접촉 영역(31, 32, 33, 34.)에서 서로 고정되는 실시예와 비교하여, 외측 구조물(12)의 변형이 내측 구조물(14)에 더 많은 영향(예를 들어, 외측 구조물(12)의 변형 시 내측 구조물(14)에 의해 더 많은 변형 에너지가 흡수될 수 있음)을 미칠 수 있다
내측 구조물(14)과 외측 구조물(12) 사이의 고정은 용접을 통해 이루어질 수 있다. 그러나, 전지 브래킷(10)의 다른 실시예에서, 내측 구조물(14)과 외측 구조물(12) 사이의 고정은 나사, 리벳 등과 같은 다른 체결 방법에 의해 대안적으로 또는 추가적으로 구현될 수도 있다.
내측 구조물(14)는 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)에도 고정될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 내측 구조물(14)은 제1 접촉 영역(31)과 제2 접촉 영역(32) 사이의 내측 구조물(14)의 표면 상에 있는 영역(30)에서 외측면(22)에 고정된다. 이를 위해, 내측 구조물(14)의 형상은 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)과 접촉하는 영역에서 외부면(22)의 각 영역의 기하학적 구조를 반영하여 형성될 수 있다. 따라서, 내측 구조물(14)은 외측면(22)과 면 접촉하도록 구성된다.
내측 구조물(14)과 외측면(22) 사이의 고정은 용접으로 이루어질 수 있다. 용접을 용이하게 하기 위해, 외측면(22)은 강철로 만들어진 외층(24)을 포함할 수 있다. 그러나, 전지 브래킷(10)의 다른 실시예에서, 내측 구조물(14)과 외측 구조물(12) 사이의 고정은 대안적으로 또는 추가적으로 나사, 리벳 등과 같은 다른 체결 방법에 의해 실현될 수 있다.
외측 구조물(12)의 캐비티(C)에 수용되는 내측 구조물(14)은 캐비티(C) 전체에 채워지지 않을 수 있다. 이를 도 1를 참고하여 설명하면, 캐비티(C)의 특정 부분은 빈 부분으로 남을 수 있다. 예를 들어, 내측 구조물(14)은 캐비티(C)의 비어 있는 부분까지 확정되지 않을 수 있다. 여기서, 내측 구조물(14)은 외측 구조물(12)의 테이퍼링 영역 내의 캐비티(C) 부분을 채운다. 외측 구조물(12)의 테이퍼 영역으로부터 내측 구조물(14)은 외측 구조물(12)의 하부(12a) 및 상부(12b)가 서로 평행하게 연장된 오른쪽 부분으로 연장된다. 그러나 후자의 영역(예를 들어, 외측 구조물(12)의 오른쪽 부분)은 내측 구조물(14)에 의해 채워지지 않는다. 따라서 캐비티(C)의 개구부(O)에 대향하는 외측 구조물(12)의 단부는 비어진 보이드(void)로 남게 된다. 이를 도 1에 개략적으로 나타내었다. 즉, 좌표계의 X축에 대해 내측 구조물(14)이 존재하는 외측 구조물(12)의 제1 부분(예: 전지 케이스의 외측면(22)과 일점 쇄선(B) 사이의 영역)을 전지 브래킷(10)의 충전부(F)라 나타내고, 내측 구조물(14)이 존재하지 않는 외측 구조물(12)의 제2 부분(예: 점선(B)과 외측 구조물(12)의 우측 단부 사이의 영역)을 전지 브래킷(10)의 공극부(V)라 나타내었다.
전술한 실시예의 전지 브래킷(10)에서 외측 구조물(12)은 충전부(F)에서만 내측 구조물(14)에 의해 지지된다. 반면, 공극부(V)에서 외측 구조물(12)은 내부로부터 어떠한 지지도 받지 못한다. 결과적으로, 충전부(F)의 전체 강성은 공극부(V)의 전체 강성보다 높다. 이에 따른 전지 브래킷(10)에 작용하는 외력의 영향에 대해서는 도 4a 및 도 4b를 통해 뒤에서 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 전지 브래킷(10)의 일 실시예의 개략적인 평면도이다. 도 1에는 전지 팩 케이스(20)에 전지 브래킷(10)이 장착된 상태가 도시되었다. 도 2에는 전지 팩 케이스(20)의 일부만이 도시되어 있다. 전지 브래킷(10)은 좌표계의 Y축 방향을 따라 선형으로 연장된다. 도 2의 평면도에서는, 전지 브래킷(10)의 외측 구조물(12)만이 보인다. 도 2에서 전지 브래킷(10)의 단부(예: 바닥 단부)에는 복수의 개구(예: 관통홀)(40)가 제공된다. 도2에 도시된 전지 브래킷(10)의 하단은 도 1에 도시된 전지 브래킷(10)의 우측단에 해당한다. 복수의 개구(40)는 전지 브래킷(10)을 차량에 장착할 수 있게 한다. 복수의 개구(40)는 Y축에 평행한 방향을 따라 일련의 관통홀(41, 42, 43, 44)로 배열된다. 내측 구조물(14)의 형상이 전지 브래킷(10)을 차량에 장착하기 위해 사용되는 핀, 나사 또는 다른 수단 등의 영향을 받지 않도록 각 관통홀(41, 42, 43, 44)은 전지 브래킷(10)의 공극부(V)에 배치된다(도 1 참조).
도 2를 통해 볼 때, 전지 브래킷(10)의 상단(도 2 참조)은 도 1에 도시된 바와 같이 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)의 외층(24)에 고정된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 외층(24)은 전지 팩 케이스(20)의 하부 및 상부 측면 중 적어도 일부를 덮도록 외측면(22)의 하부 및 상부 가장자리를 중심으로 연장(또는 절곡)된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 브래킷(10)이 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)에 장착된 상태를 도시한 사시도이다. 전지 팩 케이스(20)는 전지 브래킷(10)이 부착되는 외측면(22)에 대향하는 후면(22a)에 의해 한정된다. 또한 우측으로 전지 팩 케이스(20)는 우측면(22c)에 의해 한정된다. 전지 팩 케이스(20)의 좌측은 도 3에 도시하지 않는다. 대신에 아래에서 설명하는 바와 같은 전지 팩 케이스(20)의 구조는 좌측으로 계속(또는 적용)될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전지 팩 케이스(20)는 세퍼레이터(281, 282, 283)에 의해 각각 분리된 복수의 격실(261, 262, 263, 264)로 세분될 수 있다. 세퍼레이터(281, 282, 283)는 전지 팩 케이스(20)의 내부 강성 구조로도 작용할 수 있다. 격실(261, 262, 263, 264) 각각은 전지 셀 스택을 수용하도록 구성된다. 도 3에 도시된 전지 팩 케이스(20)의 실시예에서, 격실(261, 262, 263, 264)은 Y방향을 따라 차례로 정렬되거나 적층된다. 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)은 격실(261, 262, 263, 264) 각각의 X축 방향에 대한 외측면(도 3에서는 최좌측 격실(261)의 외측면(221)만 보임) 전체에 의해 형성된다. 본 발명에 따른 전지 브래킷(10)의 실시예와 함께 사용하기에 적합한 전지 팩 케이스(20)에서, 외층(24)은 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 층 스트라이프(layer-stripe)(241, 242, 243, 244)로 세분될 수 있다. 층 스트라이프는 전지 모듈 또는 해당 전지 셀에 대한 열 인터페이스 역할을 할 수 있다. 각 층 스트라이프(241, 242, 243, 244)는 각각의 격실(261, 262, 263, 264) 영역에서 외측면(22)의 대응 영역을 덮는다. 인접한 층 스트라이프(241, 242, 243, 244)는 세퍼레이터(281, 282, 283)의 영역에서 서로 분리될 수 있다.
세퍼레이터(281, 282, 283)는 개별 격실(261, 262, 263, 264)을 서로 분리할 뿐만 아니라 전지 팩 케이스(20) 내부의 내부 보강 구조 역할을 한다. 즉, 외측면(22) 또는 후면(22a)에 가해지는 기계적 에너지를 흡수할 수 있다. 이를 통해 전지 팩 케이스(20)가 안정화되고 전지 브래킷(10)을 통해 전달되어 전지 팩 케이스(20)에 작용하는 외력이 분산될 수 있다. 이에 대해서는 도 4a 및 4b를 참조하여 아래에서 더 자세히 설명한다.
전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)(도 3에서는 최좌측 격실(261)의 외측면(221)만이 보이고, 전술한 바와 같이 외측면(22)의 일부를 형성함)은 강철로 된 외층(24)으로 덮여 있다. 도 1를 통해 전술한 바와 같이 외측 구조물(12)은 하부 플랜지(120a) 및 상부 플랜지(120b)에 의해 외측면(22)을 덮는 외층(24)에 예를 들어, 용접에 의해 고정된다. 유사하게, 내측 구조물(14)도 도 1를 통해 전술한 바와 같이 외층(24)에 고정(예를 들어, 용접에 의해)된다.
도 4a 및 도 4b에는 전지 브래킷(10)에 외부의 기계적 힘이 가해졌을 때 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 브래킷(10) 및 전지 브래킷(10)이 부착된 전지 팩 케이스(20)의 (일부)의 변형이 3차원 시뮬레이션(예: 유한 요소 분석, 또는 FEA, 계산)으로 개략 도시되었다. 전지 브래킷(10)의 내외측 구조물(12, 14)과 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)은 Y축 방향을 따라 선형으로 연장된다. 외력의 충격에 의해 전지 브래킷(10)의 외측 및 내측 구조물(12, 14)의 냉간 압연 강판 내부 및 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22) 내에서 발생하는 내부 변형률을 그레이 스케일의 음영을 통해 알 수 있다. 어두운 회색 음영은 밝은 회색 음영에 비해 더 높은 변형률을 나타낸다. 이와 관련하여 변형률의 상대적인 차이/변화만이 본 문맥과 관련이 있기 때문에, 도 4a 및 4b에는 그레이 스케일에 대한 단위는 제공되지 않는다. 또한 도 4a 및 4b에서 전지 브래킷(10)의 충전부(F)와 공극부(V)는 중괄호로 표시되어 있으며 이는 x 좌표계의 X-Z 평면에 평행한 평면을 통해 전지 브래킷(10)을 절단하여 표시한 것이다.
예시된 시뮬레이션에서 외부 기계적 힘(예: 외부 충격)의 소스는 Z축 방향으로 대칭 축이 평행하게 연장되는 실린더의 곡면 영역의 일부와 실질적으로 유사한 형상을 갖는 단순한 기하학적 외부 구조체(S)로 표시된다. 외부 구조체(S)는 곡면적(또는 곡면 영역)에 의해 좌표계의 X축 방향과 반대 방향으로 전지 브래킷(10)의 외측 구조물(12)의 공극부(V)를 밀어 넣는다. 이러한 힘에 의해 전지 브래킷(10)이 변형된다. 도 4a 및 도 4b에서, 변형의 정도는 예시를 위해 실제 전형적인 상황에 비해 과장된 방식으로 묘사될 수 있다.
도 1을 참조하여 위에서 이미 설명한 바와 같이, 충전부(F)의 전체 강성은 공극부(V)의 전체 강성보다 높다. 이로 인해 전지 브래킷(10)에 의해 제공되는 2개의 상이한 "크러쉬 영역(crush zones)", "크러쉬 폴딩 영역(crush folding zones)" 또는 "퀀싱 영역(quenching zones)"이 발생된다. 도시된 조립체의 기계적 기능은 외측 구조물(12)이 외부 구조체(S)의 힘에 저항하고 동시에 이 힘을 전지 팩 케이스(20)의 강성 구조로 유도(또는 분배)하는 것으로 설명될 수 있다. 이는 공극부(V)에 해당하는 제1 크러쉬 영역과 충전부(F)에 해당하는 제2 크러쉬 영역에 의해 실현될 수 있다.
크러쉬 영역은 일반적으로 충격과 같은 외부 힘이 가해지면 변형될 수 있는 영역이다. 크러쉬 영역을 변형하기 위해 외력에 의해 제공된 에너지 중 적어도 일부는 크러쉬 영역을 형성하는 구조물 내에 흡수되고 분배된다. 전지 팩 케이스(20)로 전달되는 에너지는 크러쉬 영역에 의해 흡수된 에너지의 양만큼 감소한다. 즉, 전지 팩 케이스(20)에 가해지는 외력의 영향은 크러쉬 영역에 의해 완화된다.
전지 브래킷(10)은 제1 크러쉬 영역의 강성이 낮기 때문에 외력에 의한 충격 시, 제2 크러쉬 영역에 비해 제1 크러쉬 영역이 변형되기 쉽다. 따라서, 외력의 주요 부분은 제1 크러시 영역에 의해 완화된다. 그러나 나머지 힘은 강성이 더 높은 제2 크러쉬 영역으로 전달된다. 이에 따라 제2 크러쉬 영역도 변형될 수 있지만, 제2 크러쉬 영역은 외력(예: 나머지 힘)을 외측면(22)에 분배하여 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)에 대한 외력의 점상 충격(예: 외측면(22)의 상대적으로 작은 영역에 대한 국부적인 충격)을 줄이는 것이 주 목적이다. 전지 브래킷(10)에 의한 외력의 분산으로 인해, 외력에 의해 제공되는 기계적 에너지는 예컨대 도 3를 통해 설명한 세퍼레이터(281, 282, 283)(각기 X-Z 평면에 평행하게 배열)와 같은 전지 팩 케이스(20)의 내부 구조에 의해 더욱 흡수될 수 있다.
내측 구조물(14)은 외측 구조물(12)에 대한 지지를 제공한다. 이를 위해 내측 구조물(14)은 외측 구조물(12)의 벽(예: 충전부(F)의 영역에 있는 캐비티(C)의 내부 벽)을 안정화하도록 구성되며, 충전부(F)의 영역(예: 제2 크러쉬 영역)을 통해, 전지 팩 케이스(20)의 다른 강성 구조에 대한 충격력을 가이드(또는 분배)하여 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)에 대한 표면 압력을 감소시킨다. 따라서, 내측 구조물의 기하학적 구조는 크러쉬 폴딩에 적합한 기하학적 구조를 갖도록 설계되며, 예를 들어 의도된 크러쉬 폴딩 방향(X축에 대해)이 롤 성형 방향에 수직(Y축에 평행)이 되도록 설계된다. 유사하게, 내측 구조물(14)의 재료 등급은 전술한 바와 같이 적절하게 정의된다.
전술한 바와 같이, 제1 및 제2 크러쉬 영역은 외부 구조체(S)에 의해 가해지는 힘과 같은 외력에 대한 전지 브래킷(10)의 점진적인 저항 거동을 제공한다.
도 4a와 도 4b의 차이점은 도 4b에 도시된 경우와 비교하여 도 4a에 도시된 경우 외부 구조체(S)에 의해 전지 브래킷(10)에 가해지는 힘이 작다는 것이다. 또한 앞서 언급한 바와 같이, 적용된 힘의 절대값은 실제 상황과 관련이 없다. 도 4a에 도시된 실시예에서 전지 브래킷(10)의 공극부(V)만이 외부 구조체(S)에 의해 가해지는 힘의 영향을 받는다. 즉, 전지 브래킷(10)의 공극부(V)(예: 제1 크러쉬 영역)만 변형되고, 충전부(F)(예: 제2 크러쉬 영역)는 변형되지 않은 상태로 남게 된다. 따라서, 공극부(V)의 영역에서 외측 구조물(12)에 존재하는 내부 변형은 다른 회색 음영으로 볼 수 있듯이 충전부(F)의 영역에서 외측 구조물(12) 및 내측 구조물(14)에 존재하는 내부 변형에 비해 크다. 즉, 외부 구조체(S)에 의해서 전지 팩 케이스(20)를 향해 가해지는 충격은 1차 크러쉬 영역에서 거의 완전히 흡수된다.
도 4b에 도시된 실시예에서 외부 구조체(S)에 의해 전지 팩 케이스(20)에 가해지는 충격은 도 4a의 경우와 비교하여 증가한다. 따라서, 제1 크러쉬 구역 영역에서 외측 구조물(12) 내에 존재하는 변형은 외측 구조물(12)의 명백히 가시적인 변형을 야기한다. 예를 들어, 외측 구조물(12)의 하부(12a)와 상부(12b)는 Z축 방향에서 볼 때 서로 간격을 두고 이동된다. 반면, 제2 크러쉬 영역 내에서 외측 구조물(12)의 하부(12a)와 상부(12b)는, 외측 구조물(12)의 상부(12b)와 하부(12a) 사이에서 외측 구조물(12)의 하부(12a) 및 상부(12b) 모두에 부착되는 사행 구조의 내측 구조물(14)에 의해 어느 정도까지 함께 유지된다. 더욱이, 내측 구조물(14)이 파괴될 정도로 외부 구조체(S)가 전지 브래킷(10) 내부로 관통되면, 내측 구조물(14)도 외부 구조체(S)에 의한 영향을 받아 변형된다. 즉, 전지 팩 케이스(20)의 외측면(22)에 대한 충격은 제1 크러쉬 영역과 제2 크러쉬 영역에 의해 완화된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10 전지 브래킷
12 외측 구조물
12a 외측 구조물의 하부
12b 외측 구조물의 상부
14 내측 구조물
20 전지 팩의 케이스
22 외측면
22a 후면
22c 우측면
24 외층
31, 32, 33, 34 접촉 영역
40, 41, 42, 43, 44 개구
120a 하부 플랜지
120b 상부 플랜지
261, 262, 263, 264 264 격실
281, 282, 283 세퍼레이터
241, 242, 243, 244 층 스트라이프

Claims (15)

  1. 전지 팩 케이스를 차량에 장착하기 위한 전지 브래킷에 있어서,
    하부와 상기 하부와의 사이에 캐비티를 형성하는 상부를 포함하고, 상기 전지 팩 케이스의 외측면에 고정되는 외측 구조물; 및
    상기 외측 구조물의 캐비티 내로 상기 외측 구조물의 하부와 상부 사이에 사행 구조로 배치되는 내측 구조물
    을 포함하고,
    상기 내측 구조물은 상기 외측 구조물의 하부와 하부 접촉 영역에서 접촉되고 상기 외측 구조물의 상부와 상부 접촉 영역에서 접촉되는 전지 브래킷.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내측 구조물은 상기 하부 접촉 영역 내에서 상기 하부에 고정 및/또는 상기 상부 접촉 영역 내에서 상기 상부에 고정되는 전지 브래킷.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티는 개구부를 갖고,
    상기 하부는 상기 개구부 측으로 배치된 하부 플랜지를 포함하고,
    상기 상부는 상기 개구부 측에 배치된 상부 플랜지를 포함하고,
    상기 하부 플랜지와 상기 상부 플랜지 각각은, 상기 전지 팩 케이스의 외측면에 고정되도록 구성되는 전지 브래킷.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 개구부를 대향한 상기 캐비티의 영역은 비어 있는 전지 브래킷.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 캐비티의 개구부로부터 상기 캐비티를 통과하는 방향 또는 상기 캐비티 내로 향하는 방향을 따라 볼 때 상기 외측 구조물의 단면 프로파일은 점차 좁아지는 전지 브래킷.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 내측 구조물의 일 영역은 상기 전지 팩 케이스의 외측면에 고정되는 전지 브래킷.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전지 팩 케이스의 외측면에 고정되는 상기 내측 구조물의 영역은, 상기 내측 구조물의 하부 접촉 영역과 상기 내측 구조물 상부 접촉 영역 사이의 상기 내측 구조물의 표면 상에 있는 전지 브래킷.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전지 브래킷의 단면 프로파일은 상기 외측면에 수직한 방향에서 보았을 때 적어도 상기 전지 브래킷의 일 영역에서 일정한 전지 브래킷.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 외측 구조물 및/또는 내측 구조물은 금속 시트로 이루어진 전지 브래킷.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 외측 구조물 및/또는 상기 내측 구조물은 강판으로 이루어진 전지 브래킷.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 외측 구조물 및/또는 상기 내측 구조물은 냉간 압연 강판으로 이루어진 전지 브래킷.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 외측 구조물 및 상기 내측 구조물은 각각 냉간 압연 강판으로 이루어지며,
    상기 외측 구조물의 냉간 압연 강재는 상기 내측 구조물의 냉간 압연 강재보다 더 높은 강재 등급인 전지 브래킷.
  13. 제1항에 따른 전지 브래킷이 고정되는 외측면을 갖는 케이스를 포함하는 전지 팩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 외측면은 강철로 이루어진 외층을 포함하고 그리고/또는
    상기 케이스는 상기 전지 브래킷이 고정되는 상기 외측면에 수직하게 연장되는 평면 형상의 보강재를 포함하는 전지 팩.
  15. 제13항에 따른 전지 팩을 포함하는 차량.
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