KR20180060997A - 전지 셀, 전지 서브모듈, 전지 모듈 또는 전지 시스템의 벽 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 벽 구조는, 전지 셀, 전지 서브모듈, 전지 모듈 및 전지 시스템 중 하나의 케이스의 벽 구조로서, 상기 케이스의 내측을 향하는 제 1 층, 상기 케이스의 외측을 향하는 제 3 층, 및 상기 제 1 층과 제 3 층 사이에 배치되는 제 2 층을 가지는 다층 구조를 포함하며, 상기 제 1 층은 상기 케이스의 내부로부터 상기 제 2 층을 전기적으로 절연하도록 구성되고, 상기 제 2 층은 내열성 물질(ablative material)을 포함하며 상기 제 3 층을 열차폐 하도록 구성되며, 상기 제 3 층은 상기 제 2 층보다 높은 열전도도를 가진다.
Description
본 발명은 전지 셀, 전지 서브모듈, 전지 모듈 또는 전지 시스템 중 하나의 벽 구조, 특히 다층 구조를 포함하는 벽 구조에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 다층 벽 구조를 가지며 개선된 방열 특성 및 향상된 전기 아크에 대한 내성을 갖는 전지 셀, 전지 서브모듈, 전지 모듈 및 전지 시스템에 관한 것이다.
충전식 또는 이차 전지는 충전 및 방전이 반복될 수 있다는 점에서 화학 물질을 전기 에너지로 비가역적으로만 변환하는 일차 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 달라진다.
이차 전지는 직렬 및/또는 병렬로 결합된 복수의 단위 전지 셀로 형성된 전지 모듈로서 사용되어 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있다. 예를 들어 하이브리드 자동차의 모터를 구동하는데 사용될 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 형성될 수 있다.
전지 모듈은 블록 설계 또는 모듈식 설계로 구성될 수 있다. 블록 설계에서, 각 전지는 공통 집전체 구조 및 공통 전지 관리 시스템(battery management system)에 결합되고, 그 유닛은 케이스 내에 수용된다. 모듈식 설계에서, 복수의 전지 셀이 서브모듈을 형성하도록 연결되고, 여러 서브모듈이 모듈을 형성하도록 연결된다. 전지 관리 기능은 모듈 또는 서브모듈 레벨에서 적어도 부분적으로 구현 될 수 있으므로 호환성이 개선될 수 있다. 전지 시스템을 형성하기 위해 하나 이상의 전지 모듈이 기계적 및 전기적으로 통합되고, 열 관리 시스템이 장착되며, 하나 이상의 전기 소비처와 통신하도록 설정된다.
전지 시스템의 기계적 통합은 개별 부품(예를 들어 전지 서브모듈의 부품, 서브모듈 간, 전기 소비처, 예를 들어 자동차를 제공하는 시스템의 구조)의 적절한 기계적 연결을 필요로 한다. 이러한 연결은 전지 시스템의 평균 수명동안 그리고 사용 중에 발생되는 스트레스 하에서 기능을 유지하고 저장하도록 설계되어야 한다. 동시에 설치 공간 및 상호 호환성 요구 사항을 충족해야 합니다(특히 모바일 기기).
전지 모듈의 기계적 통합은 캐리어 플레이트, 예를 들어 바닥판을 제공하고, 그 위에 개별 전지 셀 또는 서브모듈을 위치시킴으로써 달성될 수 있다. 전지 셀 또는 서브모듈을 고정하는 것은 예를 들어, 캐리어 플레이트의 오목부에 끼우거나, 볼트 또는 나사와 같은 기계적인 체결수단에 의하거나, 또는 전지 셀 또는 서브모듈을 구속함으로써 달성될 수 있다. 구속은 측부 플레이트를 캐리어 플레이트의 측면에 고정시킴으로써 및/또는 다른 캐리어 플레이트를 제공하여 제 1 캐리어 플레이트 및/또는 측부 플레이트에 고정함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 멀티 레벨 전지 모듈이 구성될 수 있고, 이 때, 캐리어 플레이트 및/또는 측부 플레이트는 전지 셀 또는 서브모듈을 냉각하기 위한 냉각수 덕트를 포함할 수 있다.
전지 서브모듈의 기계적 통합은 기계적으로 강화된 전기 커넥터를 사용하거나 전기 커넥터에 캐리어 빔 또는 스트럿에 전지 셀을 고정함으로써 달성 될 수 있다. 부가적으로 또는 선택적으로 서브모듈은 복수의 정렬된 전지 셀의 표면의 일부 또는 전부를 덮는 개별 케이싱을 포함할 수 있다. 이러한 전지 서브모듈은 전지 모듈 내에 배열되는데, 예를 들어 개별 케이싱 내에서 캐리어 플레이트 상에 배열될 수 있다.
전지 서브모듈, 전지 모듈 및/또는 전지 시스템은 그 구성 요소, 즉 전지 셀, 전지 서브모듈 또는 전지 모듈을 구속하기 위한 케이스를 포함할 수 있다. 한편으로 케이스는 환경 영향, 예를 들어 기계적, 열적 또는 전기적 충격으로부터 보호를 제공해야 한다. 또한 하나 이상의 오작동하는 전지 셀의 위험한 영향으로부터 주위를 보호해야 한다. 전지 셀 레벨에서, 케이스는 일반적으로 기계적 보호, 전기 절연 및 열 발산을 보장하는 금속 또는 플라스틱 케이스를 포함한다. 일부 전지 유형의 경우, 하드 원통형 또는 직사각형 캔 대신 유연한 파우치가 사용될 수 있다. 케이스 또는 파우치는 일반적으로 기계적 강도 및 열 분배를 제공하기 위한 금속층을 포함하고, 상기 금속층의 내부 또는 외부 표면 상에 전기적으로 절연 코팅을 더 포함할 수 있다. 종래 기술에 따른 파우치는 선행문헌 US 2006/0083984 A1에 개시되어 있고, 종래 기술에 따른 전지 케이스는 KR 20080049548 A1에 개시되어있다.
전지 서브모듈, 전지 모듈 및 전지 시스템 레벨에서 하우징은 일반적으로 금속판, 섬유 강화 폴리머 또는 사출 성형된 알루미늄 쉘로 만들어진 금속 또는 플라스틱 케이스로 제공된다. 상기 케이스는 기계적 보강을 제공해야 하며 전기 절연 코팅을 포함 할 수도 있다. 내부 온도의 증가는 하나 이상의 전지 셀 내에서 발생하는 비정상적인 반응을 야기할 수 있기 때문에, 금속 케이스는 그 내부로부터 발생된 열을 외부로 효율적으로 방사, 방출 및/또는 방산하도록 추가 구성될 수 있다. 충분한 열 방출을 제공하기 위해, 케이스는 일반적으로 비교적 낮은 벽 강도를 구비하는데, 이는 케이스의 무게를 감소시킨다.
그러나, 전지 셀, 전지 서브모듈, 전지 모듈 또는 전지 시스템의 케이스의 비교적 얇은 벽은, 예를 들어 오작동하는 하나 이상의 전지 셀로 인한 국부적으로 증가된 온도에 의하여 용융될 수 있다. 특히 오작동하는 전지 셀은 케이스에 충돌할 때 케이스의 작은 영역 내에서 급격한 온도 상승을 일으키는 전기 아크를 유발할 수 있다. 따라서 이러한 아크가 케이스를 손상시키고 궁극적으로 케이스를 파손할 수 있다. 그러면 위험한 가스가 손상된 케이스에서 유출되어 사용자(예를 들어, 자동차)에게 유독할 수 있고, 또는 가스가 발화되어 추가 손상을 초래할 수 있다.
본 발명의 일 측면은 전지 셀, 전지 서브모듈, 전지 모듈 또는 전지 시스템 중 하나의 케이스의 벽 구조를 제공하는 것으로, 개선된 방열 특성과 향상된 전기 아크에 대한 내성을 가지는 케이스의 벽 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 전지 셀, 전지 서브모듈, 전지 모듈 및 전지 시스템을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나의 케이스의 벽 구조에 관한 것이다. 벽 구조는 케이스의 내측을 향하는 제 1 층, 케이스의 외측을 향하는 제 3 층, 및 제 1 층과 제 3 층 사이에 배치되는 제 2 층을 갖는 다층 구조를 포함한다. 바꾸어 말하면, 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층은 오름차순으로 서로 인접하게 또는 그 위에 배치된다. 추가의 층은 그렇게 정렬된 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층상에 또는 그 사이에 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 층은 제 2 층을 케이스의 내부로부터 전기적으로 절연하도록 구성된다. 즉, 제 1 층은 전기 절연성 물질을 포함하는 전기 절연층일 수 있다. 제 2 층은 내열성 물질(ablative material)을 포함하고 제 3 층을 열 차폐하도록 구성된다. 즉, 제 2 층은 열 절연성 물질을 포함하는 단열층이고, 케이스의 내측(또는 제 1 층)으로부터 케이스의 외측(또는 제 3 층)으로 열 전달을 지연시키도록 구성될 수 있다. 제 3 층은 제 2 층보다 높은 열전도도를 가진다. 따라서, 제 3 층은 케이스의 내측으로부터 전달되는 임의의 열을 제 3 층의 넓은 영역(케이스의 외부)으로 분배하도록 구성된다.
본 발명의 다른 측면은 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하기 위한 케이스 및 상기 케이스의 개구를 밀폐하기 위한 캡 조립체를 포함하는 전지 셀에 관한 것이다. 케이스 및/또는 캡 조립체의 바닥면 및/또는 측벽은 다층 구조를 포함한다. 상기 다층 구조는 전지 셀의 내측을 향하는 제 1 층, 전지 셀의 외측을 향하는 제 3 층, 및 제 1 층과 제 3 층 사이에 배치되는 제 2 층을 포함한다. 바꾸어 말하면, 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층은 오름차순으로 서로 인접하게 또는 그 위에 배치된다. 추가의 층은 그렇게 정렬된 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층상에 또는 그 사이에 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 층은 제 2 층을 전극 조립체로부터 전기적으로 절연하도록 구성된다. 즉, 제 1 층은 전기 절연성 물질을 포함하는 전기 절연층일 수 있다. 제 2 층은 내열성 물질을 포함하고 제 3 층을 열 차폐하도록 구성된다. 즉, 제 2 층은 열 절연성 물질을 포함하는 단열층이고, 전지 셀의 내측으로부터 전지 셀의 외측으로 열 전달을 지연시키도록 구성될 수 있다. 제 3 층은 제 2 층보다 높은 열전도도를 가진다. 따라서, 제 3 층은 전지 셀의 내측으로부터 전달되는 임의의 열을 제 3 층의 넓은 영역으로 분배하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 측면은, 정렬된 복수의 전지 셀과 전지 서브모듈 케이스를 포함하는 전지 서브모듈에 관한 것이다. 이 때, 전지 서브모듈 케이스는 서로 마주보는 복수의 서브모듈 측판에 연결되는 한 쌍의 서브모듈 전판을 가진다. 전지 서브모듈 케이스는 정렬된 복수의 전지 셀을 수용한다. 서브모듈 전판 및/또는 서브모듈 측판은, 복수의 전지 셀과 마주보는 제 1 층, 전지 서브모듈 케이스의 외측과 마주보는 제 3 층, 및 제 1 층과 제 3 층 사이에 배치되는 제 2 층을 갖는 다층 구조를 포함한다. 바꾸어 말하면, 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층은 오름차순으로 서로 인접하게 또는 그 위에 배치된다. 추가의 층은 그렇게 정렬된 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층상에 또는 그 사이에 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 층은 제 2 층을 복수의 전지 셀로부터 전기적으로 절연하도록 구성된다. 즉, 제 1 층은 전기 절연성 물질을 포함하는 전기 절연층일 수 있다. 제 2 층은 내열성 물질을 포함하고 제 3 층을 열 차폐하도록 구성된다. 즉, 제 2 층은 열 절연성 물질을 포함하는 단열층이고, 전지 서브모듈 케이스의 내측으로부터 전지 서브모듈 케이스의 외측으로 열 전달을 지연시키도록 구성될 수 있다. 제 3 층은 제 2 층보다 높은 열전도도를 가진다. 따라서, 제 3 층은 전지 서브모듈 케이스의 내측으로부터 전달되는 임의의 열을 제 3 층의 넓은 영역(또는 전지 서브모듈 케이스의 외측)으로 분배하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 측면은, 바닥판을 갖는 전지 모듈 케이스 내(또는 위)에 배치되는 복수의 전지 셀 및/또는 복수의 전지 서브모듈을 포함하는 전지 모듈에 관한 것이다. 전지 모듈 케이스의 바닥판 또는 다른 측벽은 다층 구조를 포함한다. 다층 구조는, 복수의 전지 셀 및/또는 복수의 전지 서브모듈과 마주보는 제 1 층, 전지 모듈 케이스의 외측과 마주보는 제 3 층, 및 제 1 층과 제 3 층 사이에 배치되는 제 2 층을 포함한다. 바꾸어 말하면, 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층은 오름차순으로 서로 인접하게 또는 그 위에 배치된다. 추가의 층은 그렇게 정렬된 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층상에 또는 그 사이에 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 층은 제 2 층을 복수의 전지 셀 및/또는 복수의 전지 서브모듈로부터 전기적으로 절연하도록 구성된다. 즉, 제 1 층은 전기 절연성 물질을 포함하는 전기 절연층일 수 있다. 제 2 층은 내열성 물질을 포함하고 제 3 층을 열 차폐하도록 구성된다. 즉, 제 2 층은 열 절연성 물질을 포함하는 단열층이고, 전지 모듈 케이스의 내측으로부터 전지 모듈 케이스의 외측으로 열 전달을 지연시키도록 구성될 수 있다. 제 3 층은 제 2 층보다 높은 열전도도를 가진다. 따라서, 제 3 층은 전지 모듈 케이스의 내측으로부터 전달되는 임의의 열을 제 3 층의 넓은 영역(또는 전지 모듈 케이스의 외측)으로 분배하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 측면은, 복수의 전지 셀 및/또는 복수의 전지 서브모듈 및/또는 적어도 하나의 전지 모듈과, 전지 시스템 케이스를 포함하는 전지 시스템에 관한 것이다. 전지 시스템 케이스의 측벽은 복수의 전지 셀 및/또는 복수의 전지 서브모듈 및/또는 적어도 하나의 전지 모듈과 마주보는 제 1 층, 전지 시스템 케이스의 외측과 마주보는 제 3 층, 및 제 1 층과 제 3 층 사이에 배치되는 제 2 층을 갖는 다층 구조를 포함한다. 바꾸어 말하면, 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층은 오름차순으로 서로 인접하게 또는 그 위에 배치된다. 추가의 층은 그렇게 정렬된 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층상에 또는 그 사이에 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 층은 제 2 층을 복수의 전지 셀 및/또는 복수의 전지 서브모듈 및/또는 적어도 하나의 전지 모듈로부터 전기적으로 절연하도록 구성된다. 즉, 제 1 층은 전기 절연성 물질을 포함하는 전기 절연층일 수 있다. 제 2 층은 내열성 물질을 포함하고 제 3 층을 열 차폐하도록 구성된다. 즉, 제 2 층은 열 절연성 물질을 포함하는 단열층이고, 전지 시스템 케이스의 내측으로부터 전지 시스템 케이스의 외측으로 열 전달을 지연시키도록 구성될 수 있다. 제 3 층은 제 2 층보다 높은 열전도도를 가진다. 따라서, 제 3 층은 전지 시스템 케이스의 내측으로부터 전달되는 임의의 열을 제 3 층의 넓은 영역(또는 전지 시스템 케이스의 외측)으로 분배하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 다층 구조를 갖는 전지 셀, 서브모듈, 모듈 또는 시스템의 케이스는, 케이스 내부의 전기 아크를 견딜 수 있다. 다층 구조는 적어도 3 개의 층으로 이루어지며, 여기서 제 1 층은 케이스의 내부면과 마주보고, 고장시 케이스 내부의 아크에 노출될 수 있다. 케이스에 충돌하는 아크와 멀리 떨어져있는 케이스 내부의 추가적인 부품이 단락되는 것을 방지하기 위해, 제 1 층은 전기 절연층이다. 아크가 케이스를 파손하는 것을 방지하기 위해, 제 2 층은 내열성 물질을 포함하는 열 차폐층이다. 물리적으로, 상기 내열성 물질은 재료를 희생시킴으로써 다량의 열에너지를 방산하도록 구성된다. 복수의 물리적 공정이 이러한 고효율 열 소산, 예를 들어 탄화 및 열분해에 참여할 수 있다. 제 2 층은 낮은 열 전도성을 더 포함할 수 있다. 제 3 층은 케이스에 충분한 기계적 안정성을 제공하도록 구성되며, 종래의 전지 셀, 서브모듈, 모듈 또는 시스템의 케이스와 동일 할 수 있다. 제 3 층이 기계적으로 불안정해지는 것을 추가로 방지하기 위해, 제 3 층은 제 2 층을 통과하는 임의의 열을 제 3 층의 넓은 표면 영역으로 분배하기 위해 제 2 층의 열 전도도보다 높은 열전도도를 가진다. 이에 따라 피크 온도 및 제 3 층의 연화 또는 용융의 위험이 감소된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제 2 층의 내열성 물질은 600 ℃ 이하, 바람직하게는 500 ℃ 이하, 특히 바람직하게는 400 ℃ 이하의 임계 온도에서 어블 레이션 프로세스(ablation process)로 변이되도록 구성된다. 어블레이션 프로세스는 임계 온도에 도달하는 어블레이션 물질에 반응하여 발생하는 다양한 물리적 프로세스를 포함할 수 있다. 프로세스는 용융, 증발 및 승화와 같은 상 변화; 내열성 물질 기재(matrix)의 열 전도 및 열 저장; 액체 층에서의 열 대류; 가스 및 액체의 증발 및 표면으로부터 경계층으로의 열 흡수 및 흡열 화학 반응을 포함할 수 있다. 따라서 내열성 물질의 유형은 우세한 어블레이션 메커니즘에 따라 발생하지만, 다른 메커니즘이 물질 내에 여전히 존재할 수 있다. 당해 기술 분야에서 통상적으로 3 가지 주된 유형의 애블레이터(ablator), 즉 승화 또는 용융 애블레이터(melting ablator), 탄화 애블레이터(charring ablator), 및 팽창성 애블레이터(intumescent ablator)로 구별된다.
팽창성 애블레이터는 임계 온도 이상에서 거품이 발생하기 시작하는 특징이 있다. 거품과 관련된 볼륨의 급격한 증가는 케이스 구조에서 다루기가 어렵고 케이스 자체의 파손으로 이어질 수 있다. 따라서, 용융 애블레이터 및 탄화 애블레이터는 본 발명에 따른 벽 구조에 바람직한 물질일 수 있다. 탄화 애블레이터에서 열 에너지는 주로 흡열 반응으로 인해 소산된다. 여기서, 내열성 물질의 주요 부분은 고체로 유지된다. 따라서, 탄화 애블레이터는 본 발명에 따른 벽체 구조에 특히 바람직하지만, 보강재로서 용융 애블레이터와 조합하여 사용될 수 있다.
제 2 층은 제 1 층과 제 3 층 사이에 완전히 둘러싸여 있을 수 있다. 특히, 제 2 층은 기밀 방식으로 제 1 층과 제 3 층 사이에 완전히 밀폐될 수 있다. 이는 케이스의 전체 표면을 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층으로 완전히 덮음으로써 구현 될 수 있다. 선택적으로, 제 2 층은 제 1 층의 표면 상에 부분적으로 배치되고, 제 3 층은 제 1 층 및 제 2 층의 전체 표면 상에 배치될 수 있다. 따라서, 다층 구조의 주변 영역에서, 제 1 층은 제 3 층과 직접 접촉하여 기밀 방식으로 제 2 층을 덮을 수 있다. 제 2 층을 덮음으로써, 임계 온도 또는 분해 온도 이상의 온도에서 산화 공정 및/또는 애블레이션 가스의 점화를 피할 수 있다. 따라서, 제 1 층 및 제 3 층에 의해 제 2 층을 완전하게 덮는 것은 탄화 애블레이터의 탄화 및/또는 열분해를 개시하기 위한 전제 조건일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 다층 구조는, 제 3 층을 종래 각각의 구조(셀, 서브모듈, 모듈, 시스템)의 케이스에 제공하는 제 1 단계, 제 3 층의 내부면 상에 제 2 층을 증착하는 제 2 단계, 그리고 제 2 층의 내측에 제 1 층을 증착하는 제 3 단계를 통해 제조될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 내열성 물질은 분해 온도가 600 ℃ 이하, 바람직하게는 500 ℃ 이하, 특히 바람직하게는 400 ℃ 이하인 탄화 애블레이터를 포함한다. 달리 말하면, 탄화 애블레이터의 탄화 및/또는 열분해는 분해 온도에서 초기화될 수 있다. 이러한 낮은 분해 온도로 인해, 알루미늄으로 이루어지거나 또는 알루미늄을 포함하는 제 3 층의 용융 또는 불안정화는 신뢰성 있게 방지될 수 있다. 여기서, 분해란 흡열 화학 분해가 일어나기 시작하는 반응 온도와 관련이 있다. 이로써 순수 내열성 물질의 유기 기질은 분해 영역 내에서 탄화 물질 및 일부 가스 생성물로 열분해된다. 결국, 차(char, 탄화시에 생성되는 탄소질 물질)는 유기 기질로부터 생산된다. 분해 영역은 순수 물질을 탄화 영역과 분리하고, 경계층을 통해 내열성 물질을 통과한다. 경계층의 통로는 단열을 향상시키고 대류 열전달을 감소시킨다. 또한, 어블레이션 가스는 복사열 전달을 방해한다. 따라서, 내열성 물질은 거의 모든 입사 열유속을 흡수하는 히트 싱크로서 작용한다.
제 2 층의 내열성 물질은 제 1 층에 충돌하는 전기 아크에 반응하여 어블레이션 프로세스로, 바람직하게는 탄화 및 열분해와 같은 흡열 분해로 변이하도록 구성된다. 전기 아크는 매우 작은 체적으로 한정된 5000 K와 50,000 K 사이의 온도를 갖는 고온 플라즈마를 포함할 수있다. 따라서, 제 2 층의 내열성 물질은 또한 더 높은 온도, 예를 들어, 5000 K 이상, 10,000 K 이상 또는 15,000 K 이상에서 어블레이션 프로세스로 변이하도록 구성될 수 있다. 전지 등의 케이스 내부의 전기 아크는 랜덤하게 케이스의 내측의 매우 작은 표면 영역에 충돌하고, 전기 아크가 동일한 지점에 반복적으로 충돌할 가능성은 다소 적다. 따라서, 충돌 아크에 반응하는 내열성 물질의 국부적인 희생은 제 2 층의 기계적 안정성을 크게 변화시키지 않는다. 따라서, 제 2 층은 전체적으로 케이스 내에서 아킹하는 동안 및 그 후에 기계적으로 안정하게 유지된다. 제 3 층은 제 2 층에 비해 높은 열전도도를 포함한다. 따라서, 충돌 지점에서의 국부적으로 증가된 온도는 제 3 층의 넓은 영역에 걸쳐 분포되고, 전체적으로 제 3 층은 케이스 내부의 전기 아크 발생의 경우에 기계적으로 안정한 상태를 유지한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 벽 구조를 사용하여 연장된 수명이 구현될 수 있다. 그러나 단일 고장 및 내부 아크 발생 후에 케이스가 교체될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 내열성 물질은 흑연(graphite), 탄소 섬유 강화 페놀(carbon-fiber-reinforced phenolic), 에폭시 수지(epoxy resin), 실리콘 엘라스토머(silicone elastomers), 테프론(Teflon), 석영(quartz), 코르크(cork) 및/또는 나일론(nylon) 중 하나 이상(복합재)을 포함할 수 있다. 바람직하게는 실리콘 엘라스토머, 특히 발포 실리콘 엘라스토머가 제 2 층의 내열성 물질로서 사용될 수 있다. 이러한 탄화 애블레이터 물질은 승화 또는 용융 보강 물질과 결합되어 사용될 수 있다. 특히, 탄화 애블레이터의 기재 또는 수지는 용융 애블레이터의 입자 또는 섬유로 채워진다. 실리콘 엘라스토머 또는 페놀 물질이 기재 물질로 사용될 수 있다. 특히, 발포 실리콘 엘라스토머는 이산화규소 및 산화철로 채워진다. 이러한 물질은 SiO2, SiC 및 FeSiO3의 유사한 발포체로 분해된다.
또는 그 대신에, 탄화 애블레이터 물질은 증발을 통한 냉각을 제공하기 위해 실리카 또는 나일론으로 채워질 수 있다. 탄소 섬유 강화 페놀 물질도 제 2 층의 내열성 물질에 바람직하다. 예시적으로, 내열성 물질은 경량의 제 2 층을 구현하기 위해 페놀릭 마이크로 벌룬(phenolic micro ballon) 및 실리카 섬유 보강을 갖는 저밀도 에폭시-노볼락 (epoxy-novolac) 수지를 포함할 수 있다. 또한, 흑연 (흑연 섬유) 강화 에폭시 복합재가 비용 효율이 높고 저밀도의 내열성 물질로서 사용될 수 있다. 또한, 코르크는 내열성 물질로서 사용될 수 있고, 유리 또는 미네랄 입자는 실리콘 기재와 같은 내열성 물질의 기재에 매립될 수 있다. 특히, 코르크, 유리 및 페놀릭 마이크로 벌룬의 입자를 포함하는 실리콘 수지가 제 2 층의 내열성 물질로서 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제 3 층은 금속 또는 금속 합금을 포함한다. 특히, 제 3 층은 알루미늄, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금 및/또는 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금을 포함한다. 따라서, 제 3 층은 종래 전지 등의 케이스와 동일할 수 있다. 금속의 제 3 층은 양호한 열 전도성을 가지므로 넓은 영역에 걸쳐 공간적으로 제한된 전기 아크에 의해 생성된 열을 균일하게 분배한다. 이용 분야에 따라, 예를 들면. 전지 셀 또는 수백 개의 셀을 포함하는 전지 시스템의 케이스에서, 제 3 층은 증가된 온도에 응답하여 제 3 층이 쉽게 약화되지 않는 것을 보장하는 두께를 가진다. 따라서, 제 3 층은 전지 등의 케이스 내부에서 생성되는 가스의 과압을 견딜 수 있다.
또한, 열전도성 플라스틱 재료 또는 수지는 제 3 층에 사용될 수 있다. 제 3 층에 적합한 재료 시스템은 종래의 전지 케이스에 적합한 재료 시스템과 동일하거나 유사하다. 제 3 층은 전지 구성 요소의 기계적 고정, 충돌시 주요 구성 요소의 기계적 보호, 환경(습기 및 먼지)으로부터 보호, EMC 차폐, 핫스팟(hotspot)의 경우 열 분배, 셀로부터 발생될 수 있는 가스의 봉쇄, 및 케이스에 기계적 무결성을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제 1 층은 섬유 강화 플라스틱 물질을 포함하고 제 2 층을 기계적으로 보호하도록 구성된다. 제 1 층은 전기 절연성, 연성 및 내열성을 가질 수 있다. 제 1 층이 전기적으로 절연성이기 때문에, 만약 케이스 내부의 도전성 부품, 예를 들어 버스 바가 케이스를 향해 변형되어 케이스에 접촉된다고 해도, 단락 회로가 발생하지 않을 것이다. 따라서, 제 2 층은 제 2 층의 기계적 보호를 제공하고 버스 바가 케이스의 내부와 접촉할 때 단락을 방지하도록 구성된다. 이용 분야에 따라, 예를 들면, 전지 셀 또는 수백 개의 셀을 포함하는 전지 시스템의 케이스에서, 제 1 층은 제 2 층이 케이스 내부에서 발생하는 전압을 신뢰성있게 절연할 수 있는 두께를 가진다.
본 발명의 실시예에 따른 다층 벽 구조는, 전극 조립체를 수용하기 위한 전지 케이스 또는 전지 케이스의 개구를 밀봉하기 위한 캡 조립체의 필수적인 부분이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제 1 층은 전극 조립체로부터 제 2 층을 전기적으로 절연하도록 구성된다. 이 때, 제 1 층은 20 ㎛ 내지 50 ㎛의 두께를 가지고, 제 2 층은 100 ㎛ 내지 1 mm의 두께를 가지고, 제 3 층은 200 ㎛ 내지 2 mm의 두께를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다층 벽 구조는, 전지 서브모듈 케이스의 필수적인 부분이다. 전지 서브 모듈 케이스는 정렬된 복수의 전지 셀을 수용하고 서로 마주보고 복수의 서브모듈 측판에 연결되는 한 쌍의 서브 모듈 전판을 포함한다. 제 1 층은 복수의 전지 셀로부터 제 2 층을 전기적으로 절연하도록 구성된다. 이 때, 제 1 층은 20 ㎛ 내지 200 ㎛의 두께를 가지고, 제 2 층은 400 ㎛ 내지 4 mm의 두께를 가지고, 제 3 층은 0.5 mm 내지 2 mm의 두께를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다층 벽 구조는, 복수의 전지 셀 및/또는 복수의 전지 서브모듈을 수용하는 전지 모듈 케이스의 필수적인 부분이다. 전지 모듈 케이스는 바닥판을 포함하고, 다층 벽 구조는 바닥판의 필수적인 부분일 수 있다. 제 1 층은 복수의 전지 셀 및/또는 전지 서브모듈로부터 제 2 층을 전기적으로 절연하도록 구성된다. 이 때, 제 1 층은 50 ㎛ 내지 1 ㎜의 두께를 가지고, 제 2 층은 1 ㎜ 내지 5 ㎜의 두께를 가지고, 제 3 층은 2 ㎜ 내지 10 ㎜의 두께를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다층 벽 구조는, 복수의 전지 셀 및/또는 복수의 전지 서브모듈 및/또는 적어도 하나의 전지 모듈을 수용하는 전지 시스템 케이스의 필수적인 부분이다. 제 1 층은 복수의 전지 셀 및/또는 전지 서브모듈 및/또는 적어도 하나의 전지 모듈로부터 제 2 층을 전기적으로 절연하도록 구성된다. 이 때, 제 1 층은 50 ㎛ 내지 2 ㎜의 두께를 가지고, 제 2 층은 1 ㎜ 내지 10 ㎜의 두께를 가지고, 제 3 층은 2 ㎜ 내지 50 ㎜의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전지 셀, 전지 서브모듈, 전지 모듈 또는 전지 시스템 중 적어도 하나가 다층 벽 구조를 가짐으로써, 개선된 방열 특성 및 향상된 전기 아크에 대한 내성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 벽 구조를 포함하는 전지 셀의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 벽 구조를 포함하는 전지 서브모듈의 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 벽 구조를 포함하는 전지 모듈 케이스의 개략적인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 벽 구조를 포함하는 전지 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 벽 구조를 포함하는 전지 셀의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 벽 구조를 포함하는 전지 서브모듈의 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 벽 구조를 포함하는 전지 모듈 케이스의 개략적인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 벽 구조를 포함하는 전지 시스템의 개략적인 사시도이다.
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.
또한 본 명세서에서, '제 1','제 2' 등의 용어는 다양한 구성 요소, 영역, 층 및/또는 섹션을 설명하기 위해 사용되었지만, 이들 구성 요소, 영역, 층 및/또는 섹션은 이들 용어에 제한되는 것은 아니다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 또는 "하에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀의 사시도이고, 도 2는도 1의 IV-IV 선을 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시 된 바와 같이, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀(80)은 전극 조립체(10)와, 전해액을 포함하는 전극 조립체 (10)을 수용하기 위한 케이스(26)를 포함한다. 전지 셀(80)은 또한 케이스(26)의 개구를 밀봉하기 위한 캡 조립체(30)를 포함할 수 있다. 전지 셀(80)은 각기둥 형으로 구성된 리튬 이온 이차 전지를 예로써 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전극 조립체(10)는 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 양극(11)과 음극(12)을 나선형으로 권취하여 젤리롤 형 전극 조립체로 형성될 수 있다. 양극(11)과 음극(12)은 각각 활성 물질이 코팅될 수 있는 얇은 금속박으로 형성된 집전체의 코팅 영역을 포함할 수 있으며, 집전체의 양극 및 음극 무지부(11a, 12a) 위에는 활성 물질이 코팅되지 않을 수 있다.
양극 무지부(11a)는 양극(11)의 길이 방향의 일측 단에 형성될 수 있으며, 음극 무지부(12a)는 음극(12)의 길이 방향 일측 단에 형성될 수 있다. 전극 조립체(10)는 양극(11), 세퍼레이터(13) 및 음극(12)이 반복적으로 적층된 복수의 시트를 포함하는 구조를 가질 수있다.
전극 조립체(10)는 전해액과 함께 케이스(26) 내에 수용될 수 있다. 전해액은 EC, PC, DEC, EMC, EMC 등의 유기 용매를 사용하여 LiPF6 또는 LiBF4와 같은 리튬 염으로 이루어질 수 있다. 전해액은 액체, 고체 또는 겔 상태 일 수 있다. 케이스(26)는 대략 직육면체 형상으로 구성될 수 있고, 일면에 개구가 형성될 수 있다.
케이스(26)는 실질적으로 직사각형의 바닥면(27)을 포함할 수 있고, 한 쌍의 제 1 측벽(또는 넓은 측면)(18, 19) 및 한 쌍의 제 2 측벽(16, 17)(또는 좁은 측면)을 포함할 수 있으며, 전극 조립체(10)를 수용할 수 있는 공간을 형성할 수 있다. 상기 제 1 측벽(18, 19)은 서로 마주보도록 형성될 수 있으며, 상기 제 2 측벽(16, 17)은 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 바닥면(27)과 제 1 측벽 (18, 19)이 서로 연결되는 엣지의 길이는 바닥면(27)과 제 2 측벽(16, 17)이 연결되는 엣지의 길이보다 길 수 있다. 서로 인접한 제 1 및 제 2 측벽은 90 °의 각도로 서로 둘러싸일 수 있다.
캡 조립체(30)는 케이스(26)에 결합되어 케이스(26)의 개구부를 덮는 캡 플레이트(31)를 포함할 수 있으며, 케이스(26)의 외부에 구비되어 캡 플레이트 (31)로부터 돌출된 형태로 형성되며 양극(11) 및 음극(12)과 각각 전기적으로 연결되는 양극 단자(21)와 음극 단자(22)를 포함할 수 있다. 캡 플레이트 (31)는 캡 조립체(30)의 내부와 연통되는 주입구(32) 및 벤트 홀(34)을 포함할 수 있다. 주입구(32)는 전해액의 주입이 가능하도록 형성될 수 있으며, 밀봉 캡(38)은 주입구(32) 위에 또는 안에 설치될 수 있다. 또한, 상기 벤트 홀(34)에는 소정의 압력에 의해 개방될 수 있는 노치(39a)가 형성된 벤트 부재(39)가 장착 될 수 있다.
양극 단자(21)는 집전 탭(41)을 통해 양극(11)과 전기적으로 연결될 수 있고, 음극 단자(22)는 집전 탭(42)을 통해 음극(12)과 전기적으로 연결될 수 있다. 단자 연결 부재(25)와 캡 플레이트(31) 사이에는 밀봉용 개스킷(59)이 장착 될 수 있다. 단자 연결 부재(25)의 하부가 삽입되는 하부 절연 부재(43)는 캡 플레이트(31) 아래에 설치될 수 있다. 양극 단자(21)와 캡 플레이트(31)를 전기적으로 연결하기 위한 연결 플레이트(58)는 양극 단자(21)와 캡 플레이트(31) 사이에 장착될 수 있다.
음극 단자(22)와 집전 탭(42)은 전기적으로 연결 될 수 있다. 음극 단자(22)와 캡 플레이트(31) 사이에는 전술한 개스킷(59)과 유사한 밀봉용 개스킷이 장착될 수 있다. 음극 단자(22)와 집전 탭(42)을 캡 플레이트(31)로부터 전기적으로 절연시키기 위한 상부 절연 부재(54)기 음극 단자(22)와 캡 플레이트(31) 사이에 장착될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전지 케이스(26)의 측벽(29)은 본 발명의 실시예에 따른 다층 구조(60)를 포함할 수 있다. 또한, 바닥면(27) 또는 캡 조립체(30)도 본 발명의 실시예에 따른 다층 구조(60)를 포함할 수 있다. 여기서 측벽(29)은 전지 셀 케이스(26)의 제 1 측벽(18, 19)과 제 2 측벽(16, 17)을 포함하는 것으로, 설명의 편의를 위해서 측벽(29)으로 통칭하여 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 측벽(29)은 측벽(29)의 내측(64)을 향하고 전극 조립체(10)와 대면하는 제 1 층(61)을 포함한다. 제 1 층(61)은 캐스트 폴리 프로필렌(CPP)과 같은 전기 절연 물질이고, 두께가 25㎛일 수 있다. 제 1 층(61)은 전극 조립체(10)에 의해 케이스(26) 내부에서 생성된 전기 아크 또는 스파크로부터 다층 구조(60)의 후속하는 층들을 격리하도록 구성된다.
다층 구조(60)는 전지 셀(80)의 외측(65)을 향하는 제 3 층(63)을 더 포함한다. 제 3 층(63)은 알루미늄으로 이루어져 0.8 mm의 두께를 가질 수 있으며, 전지 셀 케이스(26)에 기계적 안정성을 제공한다. 특히, 제 3 층(63)은 벤트 부재(39)를 작동시키는 임계 압력 이하의 전지 셀(80) 내부의 압력에 저항하도록 구성된다. 또한, 제 3 층 (63)은 높은 열전도도를 가진다.
다층 구조(60)는 제 1 층(61)과 제 3 층(63) 사이에서 완전히 둘러싸여 있고 내열성 물질(ablative material)을 포함하는 제 2 층(62)을 더 포함한다. 제 2 층(62)은 기재(matrix) 내에 배치된 나일론 입자를 포함하고 두께가 0.5 mm 인 실리콘 수지 기재(silicone resin matrix)를 포함한다. 제 2 층(62)은 약 400 ℃의 임계 온도에서 어블레이션 프로세스(ablation process)로 변이하도록 구성된다. 따라서 400 ℃ 이상의 온도에서 내열성 물질은 열분해되어 차(char, 탄화시에 생성되는 탄소질 물질)로 변하기 시작하여 제 3 층(63)을 보호한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 서브모듈(90)은, 도 1 및 도 2에 도시된 평면 형태인 복수의 정렬된 이차 전지 셀(80)을 포함한다. 전지 셀(80)은 서로 마주하는 인접한 전지 셀(80)의 제 1 측면(18, 19)에 맞추어 정렬된다. 한 쌍의 서브모듈 전판(91)은, 전지 셀(80)의 제 2 측면(16, 17)에 마주하는 한 쌍의 서브모듈 측판(92)과 기계적으로 결합된다. 서브모듈 전판(91)과 서브모듈 측판(92)은 전지 서브모듈(90)의 케이스(93)를 구성한다. 인접하는 전지 셀(80)의 양극 단자(21)와 음극 단자(22)는 버스 바(미도시)를 통해 전기적으로 접속될 수 있다. 따라서, 전지 서브모듈(90)은 하나의 묶음으로서 복수의 전지 셀(80)을 전기적으로 연결함으로써 전력원(power source) 유닛으로 사용될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 서브모듈 측판(92)은 본 발명의 실시예에 따른 다층 구조(60)를 포함한다. 또한, 서브모듈 전판(91)도 다층 구조(60)를 포함할 수 있다. 다층 구조(60)는, 서브모듈 측판(92)의 내측(64) 및 정렬된 전지 셀(80)의 좁은 측면(제 2 측벽: 16, 17)에 대향하는 제 1 층(61)을 포함한다. 제 1 층(61)은 폴리아미드(polyamide) 또는 폴리프로필렌(polypropylene)과 같은 전기적으로 절연성인 플라스틱 물질로 만들어지며 0.1mm의 두께를 가질 수 있다. 따라서, 제 1 층(61)은 하나 이상의 정렬된 전지 셀(80)에 의해 생성된 전기 아크로부터 후속하는 층(제 2, 3 층: 62, 63)을 전기적으로 절연시킬 수 있는 두께를 가질 수 있다. 다층 구조(60)는, 열 전도성의 중합체(polymer), 또는 강(steel) 또는 알루미늄과 같은 열 전도성 시트 물질이며, 1 mm의 두께를 가지는 제 3 층(63)을 포함한다. 따라서, 제 3 층(63)은 복수의 전지 셀(80)을 기계적으로 안정화시키고 외부환경 충격을 방지하도록 구성된다.
제 2 층(62)은 제 1 층(61)과 제 3 층(63) 사이에 완전히 둘러싸여 있으며, 내열성 물질로서 2 mm의 두께를 갖는 흑연(graphite) (또는 흑연 섬유) 보강 에폭시 합성물(epoxy composite)을 포함할 수 있다. 제 3 층(63)의 용융 온도가 대략 600 ℃이므로, 제 2 층(62)은 용융 온도보다 충분히 낮은 임계 온도에서 어블레이션 프로세스, 예를 들어 에폭시 합성물의 탄화로 변이한다. 따라서, 제 2 층 (62)은 제 1 층(61) 상에 충돌하는 전기 아크로부터 제 3 층 (63)을 열 차폐하도록 구성된다.
도 3에 도시된 복수의 전지 서브모듈(90)은 전지 모듈의 케이스(96, 도 4 참조) 내에 배치되어 전지 모듈을 형성할 수 있다. 도 4는 전지 셀(80)이 놓일 바닥판(97)을 포함하는 전지 모듈 케이스(96)의 실시예에 대한 도면이다. 특히, 바닥판(97)은, 하나의 전지 서브모듈(90)이 각각의 조립 영역(98)에 배열되는 다수의 조립 영역(98)을 포함한다. 바닥판(97)은 바닥판(97)에 일체로 내장된 냉각 튜브(99)를 더 포함할 수 있다. 전지 모듈 케이스(96)의 측벽 또는 바닥판은 본 발명의 실시예에 따른 다층 구조(60)를 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전지 모듈 케이스(96)의 측벽은, 전지 모듈 케이스(96)의 내측(64)에 향하는 제 1 층(61)을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 다층 구조(60)를 포함한다. 제 1 층(61)은 전지 모듈의 하나 이상의 고장난 셀에 의해 발생될 수 있는 전기 아크에 대해 충분한 전기 절연을 제공하기 위해 1 mm의 두께를 가질 수 있다. 제 3 층(63)은 전지 모듈 케이스(96)의 외측(65)을 향하고 두께 0.7 cm의 주조 알루미늄으로 만들어질 수 있다. 이 때, 두께는 조립 영역(98)에 배치된 복수의 전지 셀 및/또는 전지 서브모듈에 기계적 안정성을 제공하기에 충분한 두께로 결정될 수 있다. 냉각 튜브(99)는 제 3 층(63)에 매립될 수 있다. 제 2 층(62)은 제 1 층(61) 및 제 3 층(63)에 의해 완전히 둘러싸이며, 용융 애블레이터(melting ablator)인 나일론 섬유가 포함된 탄화 내열성 물질(charring ablative material)의 기재인 실리콘 수지를 포함한다. 제 2 층(62)은 전지 모듈의 하나 이상의 고장난 셀에 의해 생성될 수 있는 전기 아크에 대해 충분한 열 차폐를 제공하기 위해 4mm의 두께를 가질 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템(100)은 도 3에 도시된 복수의 전지 서브모듈(90)을 포함한다. 각각 9 개의 전지 서브모듈(90)을 포함하는 4 열의 전지 서브모듈(90)은 전지 시스템(100)의 케이스(101) 내에 배치된다. 전지 시스템 케이스(101)는 측벽(102), 측벽(102)에 용접된 바닥판(103) 및 커버(미도시)를 포함할 수 있다. 전지 시스템(100)은 전지 서브모듈(90)의 전압 및 전류를 제어하기 위한 제 1 및/또는 제 2 전기전자 박스(E/E box, 미도시)를 포함한다. 전기전자 박스는 전지 관리 유닛(BMU), 고전압 커넥터, 입력, 퓨즈, 릴레이, 전류 센서, 전자기 적합성 필터 (EMC- Filter), 프리 차지 릴레이, 저항기 및/또는 HV 인터페이스를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 측벽(102), 바닥판(103) 또는 전지 시스템 케이스(101)의 커버(미도시)는 본 발명의 실시예에 따른 다층 구조(60)를 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전지 시스템 케이스(101)의 적어도 하나의 측벽(102), 바람직하게는 각각의 측벽(102)은 전지 시스템 케이스(101)의 내측(64) 및 복수의 전지 서브 모듈(90)을 마주하는 제 1 층(61)을 포함한다. 제 1 층(61)은 전기 절연 물질로서 세라믹 입자와 접착성 수지의 혼합물로 이루어지며, 두께는 2mm일 수 있다. 따라서, 제 1 층(61)은 하나 이상의 오작동하는 전지 서브모듈(90)에 의해 생성된 전기 아크로부터 제 2 층(62) 및 제 3 층(63)을 전기적으로 차폐하도록 구성된다. 다층 구조(60)의 제 3 층(63)은 전지 시스템 케이스(101)의 외측을 향하고 2cm의 두께를 갖는 압출된 알루미늄 프로파일(aluminum profile)로 만들어진다. 따라서, 측벽(102)은 전지 시스템(100)에 기계적 무결성을 제공하기 위한 전지 시스템 케이스(101)로 조립되기에 적합하다. 제 2 층(62)은 제 1 층(61) 및 제 3 층(63)에 의해 완전히 둘러싸이고, 페놀릭 마이크로 벌룬(phenolic micro balloon), 예를 들어 페놀 성분(phenolic substance)으로 구성되거나 그것을 포함하는 미세 구형체(microscopic spheres)를 내열성 물질로서 포함하는 실리콘 수지를 포함할 수 있다. 제 2 층(62)은 전지 시스템(100)의 하나 이상의 고장난 서브모듈(90)에 의해 생성될 수 있는 전기 아크에 대해 충분한 열 차폐를 제공하기 위해 5mm의 두께를 가질 수 있다.
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 시스템
90 전지 서브모듈
80 전지 셀
10 전극 조립체
11 양극
12 음극
13 세퍼레이터
18, 19 제 1 측벽
16, 17 제 2 측벽
21 양극 단자
22 음극 단자
27 바닥면
29 전지 케이스 측벽
30 캡 조립체
31 캡 플레이트
32 주입구
34 벤트 홀
38 밀봉 캡
39 벤트 부재
41, 42 집전 탭
43, 45 하부 절연 부재
54 상부 절연 부재
58 연결 플레이트
59 가스켓
60 다층 구조
61 제 1 층
62 제 2 층
63 제 3 층
91 서브모듈 전판
92 서브모듈 측판
93 서브모듈 케이스
96 전지 모듈 케이스
97 바닥판
98 조립 영역
99 냉각 튜브
101 전지 시스템 케이스
102 전지 시스템 측벽
103 전지 시스템 바닥판
90 전지 서브모듈
80 전지 셀
10 전극 조립체
11 양극
12 음극
13 세퍼레이터
18, 19 제 1 측벽
16, 17 제 2 측벽
21 양극 단자
22 음극 단자
27 바닥면
29 전지 케이스 측벽
30 캡 조립체
31 캡 플레이트
32 주입구
34 벤트 홀
38 밀봉 캡
39 벤트 부재
41, 42 집전 탭
43, 45 하부 절연 부재
54 상부 절연 부재
58 연결 플레이트
59 가스켓
60 다층 구조
61 제 1 층
62 제 2 층
63 제 3 층
91 서브모듈 전판
92 서브모듈 측판
93 서브모듈 케이스
96 전지 모듈 케이스
97 바닥판
98 조립 영역
99 냉각 튜브
101 전지 시스템 케이스
102 전지 시스템 측벽
103 전지 시스템 바닥판
Claims (15)
- 전지 셀, 전지 서브모듈, 전지 모듈 및 전지 시스템 중 하나의 케이스의 벽 구조로서,
상기 케이스의 내측을 향하는 제 1 층, 상기 케이스의 외측을 향하는 제 3 층, 및 상기 제 1 층과 제 3 층 사이에 배치되는 제 2 층을 가지는 다층 구조를 포함하며,
상기 제 1 층은 상기 케이스의 내부로부터 상기 제 2 층을 전기적으로 절연하도록 구성되고,
상기 제 2 층은 내열성 물질(ablative material)을 포함하며, 상기 제 3 층을 열차폐 하도록 구성되며,
상기 제 3 층은 상기 제 2 층보다 높은 열전도도를 가지는, 벽 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 내열성 물질은 600 ℃ 이하의 온도에서 어블레이션 프로세스(ablation process)로 변이하는, 벽 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 내열성 물질은 상기 제 1 층에 충돌하는 전기 아크에 반응하여 어블레이션 프로세스로 변이하는, 벽 구조. - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 어블레이션 프로세스는 상기 제 2 층의 물질의 열분해 또는 탄화를 포함하는, 벽 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 층은 상기 제 1 층과 상기 제 3 층 사이에 완전히 둘러싸이는, 벽 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 내열성 물질은 흑연(graphite), 탄소 섬유 강화 페놀(carbon-fiber-reinforced phenolic), 에폭시 수지(epoxy resin), 실리콘 엘라스토머(silicone elastomers), 테프론(Teflon), 석영(quartz), 코르크(cork) 및 나일론(nylon) 중 하나, 또는 이들의 합성물을 포함하는, 벽 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 층은 금속 또는 금속 합금을 포함하는, 벽 구조. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 3 층은 알루미늄과, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)의 합금과, 철(Fe), 탄소(C), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 합금 중 적어도 하나를 포함하는, 벽 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 층은 상기 케이스에 기계적 무결성을 제공하도록 구성되는, 벽 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 층은 섬유 강화 플라스틱 물질을 포함하는, 벽 구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 층의 물질은 200 ℃ 이상의 융점을 가지는, 벽 구조. - 전극 조립체를 수용하기 위한 전지 셀의 케이스 또는 상기 케이스의 개구를 밀봉하기 위한 캡 조립체는, 제 1 항에 따른 벽 구조를 포함하고,
상기 제 1 층은 상기 전극 조립체로부터 상기 제 2 층을 전기적으로 절연시키도록 구성되는, 전지 셀의 벽 구조. - 정렬된 복수의 전지 셀을 수용하고 복수의 서브모듈 측판과 연결된 한 쌍의 서브모듈 전판을 포함하는 전지 서브모듈 케이스는, 제 1 항에 따른 벽 구조를 포함하고,
상기 제 1 층은 상기 복수의 전지 셀로부터 상기 제 2 층을 전기적으로 절연시키도록 구성되는, 전지 서브모듈의 벽 구조. - 복수의 전지 셀 및 복수의 전지 서브모듈 중 적어도 하나를 수용하고 바닥판을 포함하는 전지 모듈 케이스는, 제 1 항에 따른 벽 구조를 포함하고,
상기 제 1 층은 상기 복수의 전지 셀 및 상기 복수의 전지 서브모듈 중 적어도 하나로부터 상기 제 2 층을 전기적으로 절연시키도록 구성되는, 전지 모듈의 벽 구조. - 복수의 전지 셀, 복수의 전지 서브모듈 및 적어도 하나의 전지 모듈 중 적어도 하나를 수용하는 전지 시스템 케이스는, 제 1 항에 따른 벽 구조를 포함하고,
상기 제 1 층은 상기 복수의 전지 셀, 상기 복수의 전지 서브모듈 및 적어도 하나의 전지 모듈 중 적어도 하나로부터 상기 제 2 층을 전기적으로 절연시키도록 구성되는, 전지 시스템의 벽 구조.
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