KR102018695B1 - 전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 전지 케이스에 수용된 전극 조립체와, 상기 전지 케이스 상에 배치된 캡 조립체와, 배기 벤트를 각각 포함하는 복수의 전지 셀; 상기 전지 모듈에 냉각 가스를 공급하는 냉각 가스 입구; 및 상기 냉각 가스 입구에 배치된 냉각 가스 밸브;를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전지 셀의 비정상 작동 상태에서, 상기 배기 벤트를 통해 가스가 배출되기 전에 상기 전지 케이스가 팽창되며, 팽창된 전지 케이스에 의하여 상기 냉각 가스 입구의 제 1 측벽이 변형되고, 상기 냉각 가스 밸브는 상기 변형된 제 1 측벽에 의해 제 1 위치에서 제 2 위치로 이동된다.
Description
본 발명은 냉각 가스 입구 및 전지 셀의 비정상 작동 상태에서 냉각 가스 입구를 폐쇄하도록 구성된 냉각 가스 밸브를 갖는 전지 모듈에 관한 것이다.
충전식 또는 2차 전지는 충전 및 방전이 반복될 수 있다는 점에서 화학 물질을 전기 에너지로 비가역적으로만 변환하는 1차 전지와 다르다. 저용량의 이차 전지는 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치의 전원으로 사용되고, 고용량의 이차 전지는 하이브리드 자동차 등의 전원으로 사용된다.
일반적으로 이차 전지는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스와, 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자를 포함한다. 양극, 음극 및 전해액의 전기 화학적 반응을 통해 전지의 충전 및 방전을 가능하게 하기 위해 전해액이 케이스 내로 주입된다. 케이스의 형상, 예를 들면. 원통형 또는 직사각형은 전지의 용도에 따라 다릅니다.
이차 전지는 직렬 및/또는 병렬로 결합된 복수의 단위 전지 셀로 형성된 전지 모듈로서 사용되어 높은 에너지 밀도를 예를 들어 하이브리드 자동차의 모터를 구동하는데 제공할 수 있다. 즉, 전지 모듈은 필요한 전력량에 따라 복수의 단위 전지 셀의 전극 단자를 상호 연결함으로써 형성되는데, 예컨대 전기 자동차 용의 고전력 이차 전지를 구현하기 위하여 형성된다.
전지 모듈을 안전하게 사용하기 위해서는 이차 전지에서 발생하는 열을 효율적으로 배출 및/또는 소산시켜야 한다. 열의 방출/방산이 충분히 수행되지 않으면, 각 단위 전지들 사이에 온도 편차가 발생하여, 전지 모듈은 모터 구동을 위한 정량의 전력을 생산할 수 없다. 또한, 이차 전지의 발열로 인해 전지의 내부 온도가 상승하면 전지 셀의 비정상 작동 상태가 발생할 수 있어 이차 전지의 충 방전 성능이 저하되고, 이차 전지의 수명이 짧아진다.
간단한 냉각 시스템은 공냉식이며, 여기서 냉각 가스 흐름, 즉 공기 흐름은 셀로부터 열을 방출하기 위해 전지 셀로 유도된다. 전지 모듈을 포함하는 이동식 장치, 예를 들어 차량에서, 객실로부터의 전처리 된 공기는 전지 셀을 냉각 시키는데 사용될 수 있다. 공기가 냉각을 위해 전지 셀을 따라 흐르는 동안, 특히 전지 셀의 비정상 작동 상태에서 전지 셀로부터의 배기 가스가 공기 흐름과 혼합 될 수 있다. 따라서, 전지의 배기 가스와 혼합된 냉각 가스가 객실로 역류하는 것을 방지해야 한다.
이러한 비정상 작동 조건의 예는 심하게 과열되거나 과충전된 리튬 이온 셀에 의해 유발될 수 있는 전지 셀의 열 폭주(thermal runaway) 이다. 열 폭주는 셀 내부에서 자체 가속하는 화학 반응으로, 사용 가능한 모든 재료가 소모될 때까지 많은 양의 열과 가스를 발생시킵니다. 다량의 수소 및 일산화탄소로 인해, 발생된 가스는 독성 및 인화성이 있을 수 있다. 따라서 이러한 유해한 연소 가스가 냉각 가스 입구를 통해 객실로 유입되는 것을 피해야 한다.
WO 2009/128214 A1은 공냉식 전지 팩을 개시하며, 전지 셀에 의해 방출되는 배기 가스는 전지 셀을 따라 흐르는 냉각 공기 흐름에 의해 냉각되어야 한다. 배기 가스의 흐름이 제어되지 않는 것을 방지하기 위해, 냉각 가스 통로 내의 전지 셀의 상류에 커버 부재가 배치되고, 냉각 공기 유동의 유동 압력에 의해 커버 부재가 개방된다. 따라서, 냉각 가스 통로 내로 배기 가스가 침입하는 것을 피하게 된다.
종래 기술에 따르면, 전지의 배기 가스 유로 차단은 냉각 공기 흐름에 민감하지만 전지 셀의 비정상적인 작동 상태에는 민감하지 못하다. 따라서, 전지 셀의 배기 가스가 객실로 유입되는 상황이 여전히 발생할 수 있다.
본 발명의 일 측면은 종래 기술의 결점의 적어도 일부를 극복하거나 줄이기 위한 것으로, 전지 셀 자체의 비정상 작동 상태에 민감한, 배기 가스의 원치않는 유동을 방지하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈은, 전지 케이스에 수용된 전극 조립체와, 상기 전지 케이스 상에 배치된 캡 조립체와, 배기 벤트를 각각 포함하는 복수의 전지 셀; 상기 전지 모듈에 냉각 가스를 공급하는 냉각 가스 입구; 및 상기 냉각 가스 입구에 배치된 냉각 가스 밸브;를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전지 셀의 비정상 작동 상태에서, 상기 배기 벤트를 통해 가스가 배출되기 전에 상기 전지 케이스가 팽창되며, 팽창된 전지 케이스에 의하여 상기 냉각 가스 입구의 제 1 측벽이 변형되고, 상기 냉각 가스 밸브는 상기 변형된 제 1 측벽에 의해 폐쇄된다.
전지 케이스 및 캡 조립체를 포함하는 전지 셀은 열 폭주(thermal runaway)와 같은 다량의 배기 가스가 발생되는 비정상 작동 조건에서 특징적인 거동을 보인다. 각 전지 셀의 배기 벤트는 전지 케이스 내부의 특정 압력에서 개방, 즉 파열되도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배기 벤트는 임계 압력 에서 개방되고, 임계 압력 이하에서 전지 케이스가 팽창되도록 구성된다. 전지 케이스의 팽창은 냉각 가스 밸브를 작동시키는 데 사용된다.
따라서, 비정상적인 작동 조건에서, 예를 들어 전지 셀의 전지 케이스가 팽창하도록 구성함으로써, 배기 벤트의 임계 압력을 전지 케이스의 측벽 두께와 관련되게 조정함으로써, 냉각 가스 입구의 측벽이 팽창하는 전지 케이스에 의해 변형되도록 구성함으로써, 측벽의 재질 및 두께를 조정하고 변형된 측벽에 의해 냉각 가스 밸브가 폐쇄되도록 구성함으로써, 전지 셀의 비정상 작동 조건에서 냉각 가스 밸브를 폐쇄하기 위한 새롭고 신뢰할 수 있는 작동 메커니즘이 제공되는데, 이는 전지 셀의 비정상 작동 조건에 민감하다.
상기 전지 셀은 각기둥형 또는 직사각형 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 전지 셀은 제 1 방향으로 적층되며, 전지 모듈의 하우징 내에 배치될 수 있다. 상기 전지 모듈의 하우징은 상기 복수의 전지 셀 중 적어도 하나의 전지 케이스의 외면을 따라 또는 상기 복수의 전지 셀 각각의 외면을 따라 형성되는 냉각 가스 통로를 둘러쌀 수 있다. 냉각 가스 통로는 전지 셀로부터 열을 이동하기 위해 전지 셀을 따라 냉각 가스 유동을 안내하도록 구성될 수 있다.
냉각 가스 입구는 냉각 가스를 냉각 가스 통로 내로 유도하도록 구성되며, 전지 모듈의 하우징 내에 배치될 수 있다. 냉각 가스 입구는 제 1 방향으로 복수의 전지 셀에 인접하게 배치되고 적어도 하나의 최외곽 전지 셀과 가까이 접촉한다. 냉각 가스 입구는 제 1 측벽과 제 2 측벽을 포함하고, 이들 중 적어도 하나는 최외곽 전지 셀의 전지 케이스의 표면에 대면하거나 최외곽 전지 셀의 전지 케이스의 표면으로 구성될 수 있다. 2개의 냉각 가스 입구가 있을 수 있으며, 각각은 전지 셀 스택(stack)의 2개의 최외곽 전지 셀 중 하나에 인접하여 배치될 수 있다. 냉각 가스 입구는 또한 전지 셀들의 서브-스택들 사이에 위치 될 수 있으며, 하나의 냉각 가스 입구는 하나 이상의 냉각 가스 밸브를 포함 할 수 있으며, 상기 밸브는 냉각 가스의 유동 방향으로 서로 위에 위치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉각 가스 밸브는, 복수의 전지 셀 각각의 정상 작동 상태에서, 냉각 가스가 제 1 위치에서 냉각 가스 입구를 통과하도록 구성된다. 폐쇄된 냉각 가스 밸브, 즉 변형된 제 1 측벽에 의해 폐쇄된 냉각 가스 밸브는 변형된 냉각 가스 입구, 즉 변형된 제 1 측벽을 포함하는 냉각 가스 입구를 제 2 위치에서 폐쇄하도록 구성된다. 다시 말하면, 냉각 가스 밸브는 제 1 (작동) 위치와 제 2 (작동) 위치를 가지며, 팽창된 전지에 반응하여 냉각 가스 입구의 변형된 제 1 측벽에 의해 제 1 위치에서 제 2 위치로 이동된다.
냉각 가스 밸브의 이동은 변형하고 있거나 변형된 제 1 측벽과 냉각 가스 밸브의 적어도 일부 사이의 기계적 상호 작용으로 인해 발생할 수 있다. 냉각 가스 밸브는 제 1 측벽의 변형이 냉각 가스 밸브를 열린 제 1 위치에서 닫힌 제 2 위치로 가압하도록 구성된다. 제 1 측벽의 변형은 팽창된 전지 케이스와의 직접 접촉으로 인해 발생할 수 있다. 다음으로, 제 1 측벽은 소정의 두께를 선택하여 설계된 팽창된 전지 케이스에 의해 변형되도록 구성된다. 또는, 제 1 측벽의 변형은 다른 전지 셀의 팽창된 전지 케이스와의 접촉으로 인한 전지 셀의 위치 변경으로 인해 발생할 수 있다. 그 다음, 적절한 두께로 이루어진 제 1 측벽이 변위가 발생된 전지 셀, 예를 들어 기울어진 전지 셀에 의해 변형된다. 팽창된 전지 셀과 변위가 발생된 전지 셀 사이의 접촉은 직접 접촉이거나 인접한 전지 셀 사이에 위치된 스페이서를 통해 발생할 수 있다.
냉각 가스 밸브는 제 1 측벽에 대향하는 냉각 가스 입구의 제 2 측벽에 회전 가능하게 부착되며, 변형된 제 1 측벽에 의해 제 1 위치에서 제 2 위치로 회전하도록 구성된다. 이에 의해, 제 2 측벽은 전지 셀의 비정상 작동 상태 동안 변형되지 않게 유지되도록 구성된다. 본 실시예에 따르면, 냉각 가스 밸브는 적어도 하나의 부분, 예를 들어 전지 케이스의 팽창에 대한 응답으로 제 1 측벽의 예상된 변형에 대응하는 거리 내에서, 전지 셀의 정상 작동 상태 동안 제 1 측벽을 향해 연장되고 제 1 측벽과 밀착되는 제 2 부분을 포함할 수 있다. 제 1 측벽이 변형될 때, 제 2 측벽 상의 냉각 가스 밸브의 부착 지점에 상대적으로 토크를 제공함으로써 냉각 가스 밸브를 제 1 위치로부터 제 2 위치로 회전시킨다. 따라서, 제 2 부분은 변형된 제 1 측벽에 의해 가압되도록 구성된 작동부이고, 각각의 위치에서 냉각 가스 유동을 통과시키도록 구성된다. 냉각 가스 밸브는 적어도 하나의 다른 부분, 예를 들어, 제 1 위치에서 냉각 가스 흐름을 통과시키고 제 2 위치에서 가스 유동을 차단하도록 구성되는 제 1 부분을 포함할 수 있다. 제 1 부분은 변형된 제 1 측벽이 제 2 부분을 가압함에 따라 제 2 위치로 이동되도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉각 가스 밸브는 90° 이상, 보다 상세하게는 90°보다 약간 큰 각도로 연결되는 보다 긴 제 1 부분 및 보다 짧은 제 2 부분을 포함하며, L자형 단면을 갖는다. 제 1 부분과 제 2 부분의 연결 라인, 즉 두 부분이 만나는 라인은 제 1 측벽에 대향하는 냉각 가스 입구의 제 2 측벽에 회전 가능하게 부착된다. 냉각 가스 밸브의 제 1 위치에서, 제 1 부분은 제 2 측벽과 정렬되고 제 2 부분의 둘레 에지는 제 1 측벽에 근접하게 위치된다. 냉각 가스 밸브는 변형된 제 1 측벽에 의해 제 2 부분이 가압되어 제 1 부분의 둘레 에지가 제 1 측벽과 접촉하도록 연결 라인을 중심으로 제 1 위치에서 제 2 위치로 회전되도록 구성된다.
다시 말하면, 제 1 위치에서, 제 1 부분은 냉각 가스 입구에서 냉각 가스의 유동 방향에 평행하게 정렬되고 제 2 부분은 냉각 가스의 유동 방향에 직각 방향에 대하여 작은 각을 이루도록 정렬된다. 제 2 위치에서, 제 1 부분은 냉각 가스 입구에서 냉각 가스의 유동 방향을 가로지르고 제 1 부분의 둘레 에지가 제 1 측벽과 접촉하도록 정렬된다. 본 실시예에서, 제 1 부분은 냉각 가스 밸브의 제 2 위치에서 냉각 가스 입구의 전체 단면을 폐쇄하도록 구성된다. L자형 단면에서, 제 1 부분 또는 제 2 부분의 둘레 에지는 제 1, 2 부분이 연결되는 연결 라인에 대향하는 각각의 부분의 가장 바깥쪽 팁으로 정의된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 부분은 구멍이 없고 단단한 금속 시트(solid metal sheet)를 포함할 수 있다. 금속 시트는 L자형 단면이 도시되는 평면의 수직 방향으로 냉각 가스 입구 전체를 따라 연장될 수 있다. 따라서, 제 1 부분이 제 2 측벽에 부착된 연결 라인으로부터 제 1 측벽으로 연장되면, 냉각 가스 입구는 차단되고, 냉각 가스는 냉각 가스 입구를 통해 흐를 수 없다. 제 2 부분은 냉각 가스를 통과시키도록 구성된 하나 이상의 천공을 포함한다. 특히, 제 2 부분은 냉각 가스의 유동 통로가 되는 적어도 하나의 천공을 포함하는 금속 시트를 포함할 수 있다. 천공은 내부에 형성된 천공일 수 있으며, 예를 들어, 주위가 모두 제 2 부분으로 둘러 싸일 수 있다. 또는 천공은 제 2 부분의 가장자리 중 하나로 개방될 수 있으며, 즉 천공의 주위가 모두 제 2 부분에 의해 둘러싸여지지 않을 수 있다. 후자에서, 제 2 부분은 다수의 천공을 포함할 수 있고 기본적으로 연결 라인으로부터 냉각 가스 입구의 제 1 측벽 쪽으로 연장하는 하나 이상의 기둥으로 이루어질 수 있다.
제 1 부분의 둘레 에지 및 제 2 부분의 둘레 에지는 냉각 가스 밸브의 제 2 위치에서 변형된 제 1 측벽과 접촉한다. 따라서, 냉각 가스 밸브는 제 2 위치에서 고정되어 어떠한 움직임도 차단된다. 그 후, 밸브는 제 1 위치를 향해 반대로 회전할 수 없으며 배기 가스의 누출을 피할 수 있다. 본 실시예에서, 제 1 부분 및 제 2 부분은 탄성적으로 연결될 수 있다. 따라서, 냉각 가스 밸브의 파손을 방지하면서 제 1, 2 부분의 둘레 에지와 제 1 측벽과의 밀착을 확보할 수 있다. 이러한 탄성 연결은 냉각 가스 밸브의 재료에 의해 구현되거나 또는 제 1 부분과 제 2 부분 사이의 연결 또는 연결 라인의 타입에 의해 구현될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제 1 부분과 제 2 부분은 함께 용접될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 부분 및 제 2 부분은 90°와 120° 사이의 각도, 예를 들어 93°와 110° 사이의 각도로 연결될 수 있으며, 또한 95°와 100° 사이의 각도로 연결될 수 있다. 이러한 각도는 제 2 부분이 제 1 위치에서 냉각 가스 입구의 제 1 및 제 2 측벽 사이를 차단하면서, 제 2 부분의 회전 및 냉각 가스 밸브의 제 1 위치에서 제 2 위치로의 회전을 보장한다. 또한, 90°를 약간 상회하는 각도를 가질 때, 제 2 부분은 냉각 가스 밸브의 제 1 위치에서 제 1 측벽과 제 2 부분의 둘레 에지를 가깝게 하기 위해 냉각 가스 입구의 폭보다 많이 크지 않아야 한다. 상기 제 2 부분의 길이가 제 1 부분에 비해 짧을수록 상기 제 2 부분의 각도 변위가 작아져서 제 1 부분의 둘레 에지가 제 2 위치에서 상기 제 1 측벽과 접촉하게 된다. 달리 말하면, 제 1 부분 및 제 2 부분의 기능은 연결 라인이 받침점이 되는 레버로 볼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 변형된 제 1 측벽에 의해 냉각 가스 밸브가 제 1 위치에서 제 2 위치로 용이하게 회전할 수 있게 하기 위해, 제 2 부분의 둘레 에지에는 마찰 감소부가 형성될 수 있다. 예를 들어, 마찰 감소부는 마찰 감소 코팅에 의해, 제 2 부분의 둘레 에지에 배치된 볼 베어링에 의해, 및/또는 제 2 부분의 둘레 에지의 둥근 형상에 의해 구현될 수 있다. 이 때, 냉각 가스 밸브는 제 1 위치에서 제 1 부분과 제 2 측벽이 항상 정렬되도록 유지시키는 탄성 부재를 포함할 수 있다. 탄성 부재는 스프링 일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 부분과 제 2 부분의 연결 라인에 배치되는 스파이럴 스프링(spiral spring) 일 수 있다.
본 발명에 일 실시예에 따르면, 정렬된 복수의 전지 셀 각각의 전지 케이스는 서로 내향하는 제 1, 2 넓은 측면을 포함하고, 복수의 전지 셀은 서로 이웃하는 전지 케이스의 넓은 측면 간에 서로 마주한다. 다시 말해, 제 1 방향 (또는 배열 방향)은 넓은 측면의 법선 벡터와 평행한 방향이다. 전지 셀은 상부 표면 및 상부 표면에 대향하는 하부 표면, 및 서로 대향하는 제 1, 2 좁은 측면을 더 포함할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 냉각 가스 입구의 적어도 하나의 측벽은 적어도 하나의 최외곽 전지 케이스의 넓은 측면에 대향한다. 또는, 냉각 가스 입구의 적어도 하나의 측벽은 적어도 하나의 최외곽 전지 케이스의 넓은 측면으로 이루어진다. 2개의 최외곽 전지 셀의 각각에 인접하여 각각의 냉각 가스 입구가 구비되거나, 전지 셀의 2 개의 서브-스택 사이에 냉각 가스 입구가 구비될 수 있다. 후자의 경우에, 냉각 가스 입구에 두 개 이상의 냉각 가스 밸브가 있을 수 있다. 예를 들어, 서로 위에 배치되고 냉각 가스 입구의 대향 측벽들에 각각 회전 가능하게 연결된 2 개의 밸브를 포함할 수 있다. 하나의 전지 셀이 열 폭주로 들어가면, 측벽 중 하나만 변형되어 한 번에 하나의 냉각 가스 밸브만 작동하게 된다.
본 실시예에 따르면, 각 전지 셀의 비정상 작동 상태에서 배기 벤트를 통해 가스가 배출되기 전에 복수의 전지 셀 각각의 전지 케이스의 넓은 측면이 팽창하도록 구성된다. 즉, 전지 케이스의 넓은 측면은 전지 케이스의 기계적 약점이고, 내부 압력이 증가함에 따라 팽창하는 유일한 케이스 표면일 수 있다.
인접한 전지 셀의 넓은 측면 사이의 최단 거리는 비정상 작동 조건에서 배기 벤트를 통해 가스가 배출되기 전에 전지 셀의 팽창된 넓은 측면의 최대 휨보다 작을 수 있다. 최대 휨은 넓은 측면의 팽창 전후의 그 표면의 법선 벡터에 평행 한 방향으로 넓은 측면의 최외곽 지점 간의 거리이다. 본 실시예에 따르면, 팽창된 케이스는 인접한 전지 셀을 틸팅시키거나, 또는 냉각 가스 입구의 제 1 측벽을 직접 변형시킬 수 있다. 제 2 부분의 둘레 에지는 전지 셀의 팽창된 넓은 측면의 최대 휨 지점의 높이에 위치될 수 있다. 이에 따라, 팽창하는 전지 케이스가 냉각 가스 밸브의 제 2 부분에 미치는 영향이 최대화되고, 제 2 부분의 둘레 에지가 밸브를 기울이기 위한 작동 수단이기 때문에, 밸브가 신뢰성 있게 회전될 수 있다. 넓은 측면의 최대 휨 지점은 일반적으로 케이스 상부 표면과 대향하는 하부 표면 사이의 중간에 위치한다.
스페이서는 인접한 전지 셀의 넓은 측면 사이에 배열될 수 있다. 스페이서는 기계적으로 딱딱하고, 팽창하는 전지 케이스의 기계적 부하를 스페이서의 기울어짐을 통하여 이웃하는 전지 셀 또는 이웃하는 제 1 측벽에 전달할 수 있다. 스페이서는 인접한 전지 셀을 서로 전기적으로 절연시키기 위해 절연면을 포함할 수 있다. 스페이서는 냉각 가스 유동을 위한 적어도 하나의 냉각 가스 채널을 포함할 수 있다. 냉각 가스 채널은 위에서 소개된 냉각 가스 통로의 일부일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전지 모듈을 구성하는 전지 셀의 비정상 작동 상태에서 배기 가스가 역류하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 2는 전지 셀의 정상 작동 상태에서의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 전지 모듈의 단면도이다.
도 3은 제 1 전지 셀의 비정상 작동 상태에서의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면도이다.
도 4는 제 2 전지 셀의 비정상 작동 상태에서의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면도이다.
도 2는 전지 셀의 정상 작동 상태에서의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 전지 모듈의 단면도이다.
도 3은 제 1 전지 셀의 비정상 작동 상태에서의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면도이다.
도 4는 제 2 전지 셀의 비정상 작동 상태에서의 일 실시예에 따른 전지 모듈의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한 본 명세서에서, '및/또는' 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 즉, 본 명세서에서, 'A 및/또는 B'라는 기재는 'A 또는 B'는, 'A', 'B', 또는 'A와 B 모두'를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 제 1 방향으로 정렬되고 배열된 복수의 전지 셀(10)을 포함한다. 각 전지 셀(10)은 각기둥형(또는 직사각형)의 셀이며, 셀의 넓은 측면(18, 19)은 함께 적층되어 전지 모듈(100)을 형성한다. 또한, 각 전지 셀(10)은 전극 조립체와 전해액을 수용하는 금속 전지 케이스(17)를 포함한다. 상기 전지 케이스(17)는 캡 조립체(14)에 의해 밀폐되어 있다. 상기 캡 조립체(14)에는 극성이 서로 다른 양극 및 음극 단자(11, 12)와 배기 벤트(13)가 구비되어 있다. 배기 벤트(13)는 전지 셀(10)의 안전 수단으로서, 전지 셀(10)에서 발생된 가스가 전지 셀(10)의 외부로 배출되는 통로로 작용한다. 배기 벤트(13)는 임계 압력에서 파열되도록 구성되고, 전지 셀(10)의 넓은 측면(18, 19)은 임계 압력보다 낮은 내부 압력에서 팽창하도록 구성된다. 인접한 전지 셀(10)의 양극 단자(11)와 음극 단자(12)는 버스 바(15)를 통해 전기적으로 연결된다. 전지 모듈(100)은 복수의 전지 셀(10)을 하나의 묶음으로 전기적으로 연결함으로써 전원 공급부로 사용될 수 있다.
일반적으로, 전지 셀(10)은 충전/방전시 많은 양의 열을 발생시킨다. 발생된 열은 전지 셀(10) 내에 축적되고, 그에 따라 전지 셀(10)의 성능 저하가 가속된다. 그러므로, 전지 모듈(100)에는 최외곽 전지 셀에 제 1 방향으로 인접하여 배치된 냉각 가스 입구(20)가 구비되어 있다. 냉각 가스 입구(20)는 인접한 전지 셀(10)의 넓은 측면(19)을 향하는 제 1 측벽(21), 및 제 1 측벽(21)에 대향하는 제 2 측벽(22)을 포함한다. 냉각 가스 밸브(30)는 냉각 가스 입구(20)에 위치한다. 강성 재질의 스페이서(40)는 전기 셀(10) 사이에 개재되고, 각 스페이서(40)는 복수 개의 냉각 가스 채널(41)를 포함한다. 예를 들어, 4개의 냉각 가스 채널을 포함할 수 있다. 전지 셀(10)과 냉각 가스 입구(20)는 전지 모듈 하우징(도시되지 않음)에 수용된다.
도 2는 전지 셀 (10)의 정상 동작 상태에서의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 단면도이다. 전지 셀(10)의 정상 동작 모드에서의 냉각 가스 밸브(30)의 기능은 도 1 및 2와 관련하여 이하 설명한다.
냉각 가스 밸브(30)는 제 1 부분(31)으로서 구멍 없이 단단한 금속 시트 및 제 2 부분(32)으로서 내부 천공(36)을 포함하는 금속 시트를 가지며, 90° 이상의 소정 각도로 절곡된 형태로 형성되어 대략 L 자형 단면을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 부분(31)과 제 2 부분(32)은 연결 라인(33)에서 서로 용접되며 대략 100°의 각도를 이룰 수 있다. 냉각 가스 밸브(30)는 연결 라인(33)에 의해 제 2 측벽(22)에 회전 가능하게 연결된다. 그러므로, 연결 라인(33)은 샤프트 (도시되지 않음)를 수용하는 베어링(도시되지 않음)을 포함할 수 있고, 제 2 측벽(22) 또는 그 반대로 부착될 수 있다. 또한, 스파이럴 스프링(spiral spring)이 베어링 내에 배열되어 제 1 부분(31)을 제 2 측벽(22)에 평행하게 유지시키도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서, 제 1 부분(31)이 제 2 측벽(22)에 평행한 상태를 '제 1 위치'로 정의하며, 이는 냉각 가스 밸브(30)의 개방 위치를 의미한다. 냉각 가스 밸브(30)가 제 1 위치인 경우, 제 2 부분(32)의 둘레 에지(35)는 제 1 측벽(21)에 밀착 접촉되도록 위치된다.
복수의 전지 셀(10) 각각의 정상 작동 상태 동안, 냉각 가스 흐름, 예를 들어 차량의 객실로부터의 미리 조절된 공기는 냉각 가스 입구(20)에서 위쪽으로 유동한다. 냉각 가스는 천공(36)을 통해 제 1 위치의 냉각 가스 밸브(30)의 제 2 부분(32)을 통과한다. 냉각 가스 입구(20)는 냉각 가스 통로(42)로 연결되는데, 냉각 가스 통로(42)는 전지 셀(10) 상부의 영역(이하, 제 1 구역)과 전지 셀(10) 하부의 영역(이하, 제 2 구역)을 포함한다. 냉각 가스 입구(20)로부터, 냉각 가스는 스페이서(40) 내의 냉각 가스 채널(41)을 통해 아래로 유동하여 냉각 가스 통로의 제 2 구역으로 흐른다. 그 다음, 가열된 냉각 가스는 전지 모듈 하우징의 가스 배출부(도 2를 기준으로 하부 좌측 코너부, 도시되지 않음)를 통해 배출된다. 도 2에서는 냉각 가스 흐름이 화살표로 표시되어 있다.
도 3은 제 1 전지 셀(10)의 비정상 작동 상태에서의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 단면도이고, 도 4는 제 2 전지 셀(10)의 비정상 작동 상태에서의 일 실시예에 따른 전지 모듈(100)의 단면도이다. 비정상 작동 모드에서의 냉각 가스 밸브(30)의 기능은 도 3 및 4와 관련하여 이하 설명한다.
도 3은 복수의 전지 셀(10)의 중앙에 있는 중심 전지 셀(10)이 비정상 작동 모드, 즉 열 폭주 상태에 있는 것을 도시하였다. 전지 셀(10)에서 발생하는 가스의 양이 너무 많아서 중심 전지 셀(10)의 전지 케이스(17)가 팽창된다. 특히, 제 1 넓은 측면(18b)과 제 2 넓은 측면(19b)은 케이스(17)의 바닥과 캡 조립체(14) 사이의 중간에서 최대 휨을 갖도록 팽창된다. 팽창된 제 2 넓은 측면 (19b)으로 인해, 인접한 스페이서(40) 및 인접한 최외곽 전지 셀(10)이 위치가 변경, 즉 기울어 짐으로써, 냉각 가스 입구(20)의 제 1 측벽(21)이 변형된다. (이해의 편의를 위하여 변형된 제 1 측벽을 도면에서 21b로 도시하였음)
도 4는 복수의 전지 셀(10) 중 최외곽 전지 셀(10)이 비정상 작동 모드, 즉 열 폭주 상태에 있는 것을 도시하였다. 전지 셀(10)에서 발생하는 가스의 양이 너무 많아서 최외곽 전지(10)의 전지 케이스(17)가 팽창된다. 팽창된 제 2 넓은 측면(19b)은 냉각 가스 입구의 제 1 측벽(21b)에 대향한다. 따라서, 제 2 넓은 측면(19b)의 변형은 최외곽 전지 셀(10)의 케이스(17)의 바닥과 캡 조립체(14) 사이의 중간에서 최대 휨을 가지며 냉각 가스 입구(20)의 제 1 측벽(21b)을 직접 변형시킨다.
도 3 및 도 4에서, 변형된 제 1 측벽(21b)은 냉각 가스 밸브(30)의 제 2 부분(32)의 둘레 에지(35)를 제 2 측벽(22)을 향해 가압하여 밸브(30)를 제 1 위치(개방 위치, 도 2 참조)에서 제 2 위치(폐쇄 위치, 도 3 및 도 4 참조)로 회전시킨다. 둘레 에지(35)가 대략적으로, 팽창된 전지 셀(10)의 제 2 넓은 측면(19b)의 최대 변형 높이에 위치됨에 따라, 냉각 가스 밸브(30)의 회전 구동이 신뢰성 있게 구현된다. 본 명세서에서, 냉각 가스 밸브(30)가 회전됨에 따라 제 1 부분(31)이 변형된 제 1 측벽(12b)에 접촉되어 냉각 가스 입구(20)를 폐쇄하는 상태를 '제 2 위치'로 정의하며, 이는 냉각 가스 밸브(30)의 폐쇄 위치를 의미한다.
냉각 가스 밸브(30)의 제 2 위치에서, 제 1 부분(31)의 둘레 에지(34)는 제 1 측벽(21b)과 접촉하게 된다. 제 1 부분(31)은 구멍이 없는 단단한 금속 시트이고, 도 3이 도시된 평면에 수직한 방향으로 냉각 가스 입구(20)의 전체 길이를 따라 연장된다. 따라서, 제 1 부분(31)은 냉각 가스 밸브(30)의 제 2 위치에서 냉각 가스 입구(20)의 전체 단면을 덮는다. 만약 팽창된 중심 전지 셀(10)의 내부 압력이 소정 임계 압력에 도달하면, 배기 벤트(13)는 파열되어 열리고 배기 가스가 냉각 가스 통로(42)로 배출된다. 냉각 가스 입구(20)가 제 2 위치에서 냉각 가스 밸브(30)에 의해 차단되기 때문에, 배기 가스는 전지 모듈 하우징(도시되지 않음)의 가스 배출부(도시되지 않음)를 통해서만 배출될 수 있다. 따라서, 냉각 가스 입구(20)의 상류에 유체 연통되도록 연결된 자동차의 객실 내로 유해한 배기 가스가 역류되는 것이 방지된다. 도 3 및 도 4에서 화살표는 전지 배기 가스의 흐름 방향을 나타낸다.
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.
100 전지 모듈
10 전지 셀
11 양극 단자
12 음극 단자
13 배기 벤트
14 캡 조립체
15 버스 바
17 전지 케이스
18 제 1 넓은 측면
18b 팽창된 제 1 넓은 측면
19 제 2 넓은 측면
19b 팽창된 제 2 넓은 측면
20 냉각 가스 입구
21 제 1 측벽
21b 변형된 제 1 측벽
22 제 2 측벽
30 냉각 가스 밸브
31 제 1 부분
32 제 2 부분
33 연결 라인
34 제 1 부분의 둘레 에지
35 제 2 부분의 둘레 에지
36 천공
40 스페이서
41 냉각 가스 채널
42 냉각 가스 통로
10 전지 셀
11 양극 단자
12 음극 단자
13 배기 벤트
14 캡 조립체
15 버스 바
17 전지 케이스
18 제 1 넓은 측면
18b 팽창된 제 1 넓은 측면
19 제 2 넓은 측면
19b 팽창된 제 2 넓은 측면
20 냉각 가스 입구
21 제 1 측벽
21b 변형된 제 1 측벽
22 제 2 측벽
30 냉각 가스 밸브
31 제 1 부분
32 제 2 부분
33 연결 라인
34 제 1 부분의 둘레 에지
35 제 2 부분의 둘레 에지
36 천공
40 스페이서
41 냉각 가스 채널
42 냉각 가스 통로
Claims (19)
- 전지 모듈에 있어서,
전지 케이스에 수용된 전극 조립체와, 상기 전지 케이스 상에 배치된 캡 조립체와, 상기 전지 케이스가 제 1 압력일 때 파열되는 배기 벤트를 각각 포함하며, 제 1 방향을 따라 배열되는 복수의 전지 셀;
제 1 측벽과 제 2 측벽에 의해 정의되고, 상기 전지 셀에 냉각 가스를 공급하는 냉각 가스 입구; 및
상기 냉각 가스 입구에 배치된 냉각 가스 밸브;
를 포함하고,
상기 전지 셀의 비정상 작동 상태에서 상기 배기 벤트를 통해 가스가 배출되는 상기 제 1 압력보다 작은 제 2 압력일 때 상기 전지 케이스가 팽창되며,
팽창된 전지 케이스에 의하여 상기 냉각 가스 입구의 상기 제 1 측벽이 변형되고,
상기 냉각 가스 밸브는 상기 변형된 제 1 측벽에 의해 개방된 제 1 위치에서 폐쇄된 제 2 위치로 이동되는, 전지 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 냉각 가스 밸브는 상기 전지 셀의 정상 작동 상태 동안 상기 제 1 위치에서 상기 냉각 가스를 상기 냉각 가스 입구를 통해 통과시키도록 구성되고,
상기 폐쇄된 냉각 가스 밸브는 상기 제 2 위치에서 상기 냉각 가스 입구를 밀폐하도록 구성되는, 전지 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 냉각 가스 밸브는 상기 냉각 가스 입구의 상기 제 1 측벽에 대향하는 상기 제 2 측벽에 회전 가능하게 부착되며,
상기 냉각 가스 밸브는 상기 변형된 제 1 측벽에 의해 상기 제 1 위치에서 상기 제 2 위치로 회전하도록 구성되는, 전지 모듈. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 측벽은 상기 전지 셀의 비정상 작동 상태 동안 변형되지 않은 상태를 유지하는, 전지 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 냉각 가스 밸브는 서로 90° 이상의 각도를 이루며 연결된 보다 긴 제 1 부분 및 보다 짧은 제 2 부분을 포함하고, L자형 단면을 가지며,
상기 냉각 가스 밸브의 제 1 위치에서, 상기 제 1 부분은 상기 제 1 측벽에 대향하는 제 2 측벽과 정렬되고 상기 제 2 부분의 둘레 에지는 상기 제 1 측벽에 인접하게 배치되며,
상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분의 연결 라인은 상기 제 2 측벽에 회전 가능하게 부착되고,
상기 냉각 가스 밸브는, 상기 제 2 부분이 상기 변형된 제 1 측벽에 의해 가압될 때, 상기 연결 라인을 중심으로 상기 제 2 위치로 회전되어 상기 제 1 부분의 둘레 에지가 상기 제 1 측벽과 접촉하게 되는, 전지 모듈. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 부분은 상기 제 2 위치에서 상기 냉각 가스 입구의 전체 단면을 덮는, 전지 모듈. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 부분은 구멍이 없고 단단한 금속 시트(solid metal sheet)를 포함하는, 전지 모듈. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 부분은 냉각 가스가 통과하도록 적어도 하나의 천공(perforation)을 포함하는, 전지 모듈. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 부분의 둘레 에지와 상기 제 2 부분의 둘레 에지는 상기 제 2 위치에서 상기 변형된 제 1 측벽에 접촉하는, 전지 모듈. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분은 탄성적으로 연결되는, 전지 모듈. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분은 90°와 120° 사이의 각도로 연결되는, 전지 모듈. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 부분의 둘레 에지는 마찰 감소부를 포함하는, 전지 모듈. - 제 5 항에 있어서,
상기 냉각 가스 밸브는
상기 제 1 위치에서 상기 제 1 부분이 상기 제 2 측벽과 정렬이 유지되도록 하는 탄성 부재를 포함하는, 전지 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 전지 셀 각각의 전지 케이스는 서로 대향하는 넓은 측면을 포함하고,
상기 복수의 전지 셀은 인접한 전지 셀 간의 상기 넓은 측면이 서로 마주 보도록 정렬되며,
상기 제 1 측벽 및 상기 제 2 측벽 중 적어도 하나는 최외곽 전지 셀의 전지 케이스의 상기 넓은 측면 중 최외곽의 넓은 측면과 마주보는, 전지 모듈. - 제 14 항에 있어서,
상기 전지 셀의 비정상 작동 상태에서, 상기 전지 케이스의 상기 넓은 측면은 상기 배기 벤트를 통해 가스가 배출되기 전에 팽창되는, 전지 모듈. - 제 15 항에 있어서,
상기 전지 셀의 비정상 작동 상태에서, 상기 배기 벤트를 통해 가스가 배출되기 전, 인접한 전지 셀의 상기 넓은 측면 사이의 최단 거리는 전지 셀의 팽창된 넓은 측면의 최대 휨보다 작은, 전지 모듈. - 제 14 항에 있어서,
적어도 하나의 냉각 가스 채널을 포함하는 스페이서는 인접한 전지 셀의 상기 넓은 측면 사이에 배치되는, 전지 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 전지 셀 중 적어도 하나의 전지 케이스의 외면을 따라 형성된 냉각 가스 통로를 더 포함하고,
상기 냉각 가스 입구는 상기 냉각 가스를 상기 냉각 가스 통로로 유도하도록 구성되는, 전지 모듈. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 2 부분의 둘레 에지는
전지 셀의 팽창된 넓은 측면이 최대 휨을 가지는 높이에 위치되는, 전지 모듈.
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