KR20220032492A - 전지 차단 유닛을 갖는 전지 시스템 - Google Patents

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미카엘 에르하르트
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Abstract

실시예에 따른 전지 시스템은, 복수의 연결된 이차 전지 셀을 갖는 고전압 시스템과, 캐리어 플레이트, 상기 캐리어 플레이트에 적어도 부분적으로 통합되며, 상기 고전압 시스템의 고전압 라인을 전환 가능하게 개방 또는 폐쇄하도록 구성된 전지 차단 유닛 릴레이, 및 상기 전지 차단 유닛 릴레이를 제어하도록 구성된 전지 차단 유닛 제어 유닛을 포함하는 전지 차단 유닛 및, 상기 캐리어 플레이트의 제1 측면에 있는 액체 냉각 플레이트를 포함한다.

Description

전지 차단 유닛을 갖는 전지 시스템{BATTERY SYSTEM WITH A BATTERY DISCONNECT UNIT}
본 발명은 향상된 전지 차단 유닛을 포함하는 전지 시스템 및 이를 포함하는 전기 자동차에 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 또는 때때로 전력을 공급받을 수 있는 하이브리드 자동차일 수 있다. 또한, 차량은 전기 모터와 연소 엔진의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로 전기 자동차 전지(EVB) 또는 견인 전지는 전지 전기 자동차(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.
이 배경 기술 섹션에 공개된 위의 정보는 배경에 대한 이해를 높이기 위한 것일 뿐이므로 이 배경 섹션에서 논의된 정보가 반드시 선행 기술을 구성하는 것은 아니다.
본 발명의 목적은 전지 차단 유닛과 이의 구성요소의 레이아웃을 개선하여 효율적인 방식으로 전지 차단 유닛의 구성요소의 냉각을 개선할 수 있는 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전지 시스템은, 복수의 연결된 이차 전지 셀을 갖는 고전압 시스템과, 캐리어 플레이트, 상기 캐리어 플레이트에 적어도 부분적으로 통합되며 상기 고전압 시스템의 고전압 라인을 전환 가능하게 개방 또는 폐쇄하도록 구성된 전지 차단 유닛 릴레이 및 상기 전지 차단 유닛 릴레이를 제어하도록 구성된 전지 차단 유닛 제어 유닛을 포함하는 전지 차단 유닛, 및 상기 캐리어 플레이트의 제1 측면에 배치된 액체 냉각 플레이트를 포함한다.
상기 액체 냉각 플레이트는 냉각 액체를 전달하도록 구성된 캐비티를 포함하고, 상기 캐리어 플레이트는 상기 캐리어 플레이트의 제1 측면이 상기 액체 냉각 플레이트에 맞물린 형상을 가질 수 있다.
상기 고전압 시스템의 동작 전압보다 낮은 동작 전압을 갖는 저전압 시스템을 더욱 포함하고, 상기 전치 차단 유닛 제어 유닛은 상기 저전압 시스템과 통합될 수 있다.
상기 전지 차단 유닛은 상기 전지 차단 유닛 릴레이를 포함하는 고전압 구성 요소, 및 상기 전지 차단 유닛 제어 유닛을 포함하는 저전압 구성 요소를 더욱 포함하고, 상기 전지 차단 유닛의 고전압 구성 요소 및 저전압 구성 요소는 상기 캐리어 플레이트의 제1 측면에 대향한 제2 측면에 배치될 수 있다.
상기 고전압 라인은 상기 캐리어 플레이트에 적어도 부분적으로 통합되는 복수의 버스 바를 포함할 수 있다.
상기 전지 차단 유닛의 고전압 구성 요소는 상기 캐리어 플레이트의 제2 측면 상에 배치된 고전압 인쇄 회로 기판을 포함하고, 상기 전지 차단 유닛의 저전압 구성 요소는 저전압 인쇄 회로 기판을 포함하며, 상기 고전압 인쇄 회로 기판은 상기 고전압 라인에 연결된 도전층을 포함하고, 상기 전지 차단 유닛의 고전압 구성 요소와 저전압 구성요소는 상기 고전압 인쇄 회로 기판에 배치될 수 있다.
상기 고전압 인쇄 회로 기판은 프리 차지 트레이스 저항을 포함하고, 상기 프리 차지 트레이스 저항은 전도성 트레이스를 포함할 수 있다.
상기 고전압 인쇄 회로 기판은 션트를 더욱 포함할 수 있다.
상기 저전압 인쇄 회로 기판은 제1 접촉 수단을 포함하고, 상기 고전압 인쇄 회로 기판은 상기 저전압 인쇄 회로 기판과 상기 고전압 인쇄 회로 기판 사이의 데이터 연결을 설정하기 위해 상기 제1 접촉 수단을 수용하도록 구성된 제2 접촉 수단을 포함할 수 있다.
상기 고전압 인쇄 회로 기판은 복수의 버스 바 중 하나의 일부를 노출시키는 복수의 버스 바 연결 영역을 포함할 수 있다.
상기 전지 차단 유닛의 구성요소는 적어도 하나의 파이로테크닉 안전 스위치, 적어도 하나의 릴레이, 및/또는 적어도 하나의 용융 퓨즈를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 릴레이 및/또는 퓨즈는 2개의 버스 바 연결 영역을 서로 연결할 수 있다.
상기 고전압 인쇄 회로 기판은 상기 제2 접촉 수단과 상기 캐리어 플레이트의 제2 측면에 배치된 적어도 하나의 장착 소켓을 연결하는 복수의 데이터 라인을 더욱 포함할 수 있다.
상기 전지 차단 유닛은 상기 액체 냉각 플레이트와 상기 캐리어 플레이트 사이 및/또는 상기 캐리어 플레이트와 상기 고전압 인쇄 회로 기판 사이에 배치된 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기한 전지 시스템은 전기 자동차에 적용되거나 전기 자동차 내에 포함될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지 시스템은, 개선된 전지 차단 유닛의 구성 요소의 레이 아웃과 전지 차단 유닛에 인접하여 배치된 냉각 플레이트의 구성에 의해 전지 차단 유닛의 냉각을 효율적으로 이룰 수 있다.
본 기재의 특징들은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세하게 설명함으로써 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전지 셀의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전지 시스템의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 전지 차단 유닛의 사시도를 도시한다.
도 4b는 도 4a에 도시된 전지 차단 유닛의 평면도를 도시한다.
본 발명의 실시예의 측면은 다양한 변형 및 대안적인 실시예로 공개에 개방되는 반면, 본 발명의 일부 실시예의 측면은 첨부한 도면의 예로서 설명되고 예시될 것이다. 그러나, 본 발명을 개시된 특정 예시적인 실시예로 제한하려는 의도는 없는 반면 본 발명에 따른 실시예는 본 발명의 실시예에 따른 사상 및 범위 내에 속하는 모든 수정, 균등물 및 대안을 포함한다는 것으로 이해해야 한다.
도면 전체에 있어 동일 인용 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 첨부된 도면에서 구조물의 크기는 명확성을 위해 과장되게 표현될 수 있다. 비록 본 명세서에서 "제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성 요소를 설명하지만, 이들 구성 요소가 이러한 용어에 의해 제한되어서는 안 된다. 이 용어들은 한 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별할 목적으로만 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.
용어 "포함하다" 또는 "포함하는"은 특성, 영역, 고정된 수, 단계, 프로세스, 요소, 구성 요소 및 이들의 조합을 특정하지만, 다른 특성, 영역, 고정 숫자, 단계, 프로세스, 요소, 구성 요소 및 이들의 조합을 배제하지 않는다. "적어도 하나"와 같은 표현이 구성 요소의 목록 앞에 있을 때, 전체 구성요소 목록을 수식하고 목록의 개별 요소를 수식하지 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. 또한, 본 발명에서 층, 필름, 영역, 판 등의 일부가 다른 부분에 형성되는 경우, 그 부분이 형성되는 방향은 위쪽 방향으로만 한정되지 않으며 가로 방향 또는 아래 방향을 포함한다. 반대로, 층, 필름, 영역 또는 판과 같은 요소가 다른 요소의 아래에 있는 것으로 언급되는 경우 다른 요소 바로 아래에 있을 수 있거나 중간 요소도 존재할 수 있음을 이해해야 한다.
본 명세서에서, 구성 요소(예: 제1 구성 요소)가 다른 구성 요소(예: 제2 구성 요소)에 "동작 또는 통신 가능하게 결합" 또는 "연결"되는 것으로 설명되는 경우, 구성요소는 구성 요소(제2 구성 요소)에 직접 연결되거나 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통해 연결될 수 있다. 반대로, 구성요소(예: 제1 구성 요소)가 다른 구성요소(예: 제2 구성 요소)에 '직접 연결' 또는 '직접 결합'되어 있다고 설명하는 경우에는 구성 요소(제1 구성 요소)와 다른 구성 요소(제2 구성 요소) 사이에 중간 구성요소(예: 제3 구성 요소)가 없는 것을 의미한다.
이하의 설명에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수형도 포함할 수 있다.
일반적으로 이차 전지는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스, 전극 조립체와 전기적으로 연결된 전극 단자를 포함한다. 케이스 내부에 전해액을 주입하여 양극, 음극 및 전해액의 전기화학적 반응을 통해 이차 전지의 충방전을 가능하게 한다. 케이스의 형상(예: 원통형 또는 직사각형)은 전지의 의도된 목적에 따라 다르디. 이차 전지는 가령 하이브리드 자동차의 모터 구동을 위해 높은 에너지 밀도를 제공하기 위해서 직렬 및/또는 병렬로 결합된 복수의 단위 전지 셀로 이루어진 전지 모듈로 사용될 수 있다. 즉, 고출력 이차 전지를 구현하기 위해, 필요 전력량에 따라 복수의 단위 전지 셀은 전극 단자를 상호 연결하여 전지 모듈로서 구성된다.
전지 모듈은 블록식 설계 또는 모듈식 설계로 구성될 수 있다. 블록식 설계의 전지 모듈에서 각 전지는 하우징 내에 배열되어 공통 집전체 구조 및 공통 전지 관리 시스템에 연결된다. 모듈식 설계의 전지 모듈에서는 여러 개의 전지 셀이 연결되어 하위 모듈을 형성하고 이들 여러 개의 하위 모듈이 연결되어 전지 모듈을 구성한다. 자동차 애플리케이션에서 전지 시스템은 종종 원하는 전압을 제공하기 위해 직렬로 연결된 복수의 전지 모듈로 구성된다. 여기서 전지 모듈은 복수의 적층된 전지 셀이 적층된 서브 모듈을 포함할 수 있고, 전지 모듈에서 병렬로 연결된 셀을 포함하는 서브 모듈은 직렬로 연결되거나(XpYs) 직렬로 연결된 여러 개의 셀을 포함하는 서브 모듈은 병렬로 연결될 수 있다(XsYp).
전지 팩은 여러 개의(예: 동일하거나 유사한) 전지 모듈 세트이다. 이들은 원하는 전압, 용량 또는 전력 밀도를 제공하기 위해 직렬, 병렬 또는 이 둘의 방식이 혼합되어 구성될 수 있다. 전지 팩의 구성 요소에는 개별 전지 모듈과 전지 모듈 간의 전기 전도성을 제공하는 상호 연결부가 포함된다.
전지 시스템에 연결된 다양한 전기 소비자의 동적 전력 수요를 충족시키기 위해 전지 전력 출력 및 충전의 정적 제어로는 충분하지 않다. 따라서 전지 시스템과 전기 소비자의 컨트롤러 사이에 정보의 꾸준한 교환이 요구된다. 이 정보에는 전지 시스템의 실제 충전 상태(SoC), 잠재적인 전기 성능, 충전 능력 및 내부 저항은 물론 소비자의 실제 또는 예측된 전력 수요 또는 잉여가 포함된다. 따라서 전지 시스템은 일반적으로 시스템 수준에서 상기한 정보를 얻고 처리하기 위한 전지 시스템 관리부(battery system manager, BSM)와 시스템 전지 모듈의 일부이며 시스템 수준에 대한 관련 정보를 얻고 처리하는 복수의 전지 모듈 관리부(battery module manager, BMM)를 포함한다. 예를 들어, 전지 시스템 관리부(BSM)는 일반적으로 시스템 전압, 시스템 전류, 시스템 하우징 내부의 여러 위치에서의 국부적 온도, 충전 부품과 시스템 하우징 사이의 절연 저항을 측정한다. 또한 전지 모듈 관리부(BMM)는 일반적으로 개별 셀 전압과 전지 모듈의 온도를 측정한다.
비정상적인 작동 상태의 경우 전지 팩은 일반적으로 전지 팩의 단자에 연결된 부하에서 분리되어야 한다. 따라서, 전지 시스템은 전지 모듈과 전지 시스템 단자 사이에 전기적으로 연결된 전지 차단 유닛(battery disconnect unit, BDU)을 더욱 포함한다. 전지 차단 유닛(BDU)은 전지 팩과 차량의 전기 시스템 사이의 주요 인터페이스이다. 전지 차단 유닛(BDU)에는 전지 팩과 전기 시스템 사이의 고전류 경로를 열거나 닫는 전자 기계 스위치가 포함된다. 전지 차단 유닛(BDU)은 전압 및 전류 측정과 같은 전지 모듈 측정과 함께 전지 제어 유닛(battery control unit, BCU)에 피드백을 제공한다. 전지 제어 유닛(BCU)은 전지 차단 유닛(BDU)에서 수신된 피드백을 기반으로 낮은 전류 경로를 사용하여 전지 차단 유닛(BDU)의 스위치를 제어한다. 따라서 전지 차단 유닛(BDU)의 주요 기능에는 전지 팩과 전기 시스템 사이의 전류 흐름 제어 및 전류 감지가 포함될 수 있다. 전지 차단 유닛(BDU)은 외부 충전 및 사전 충전과 같은 추가 기능을 추가로 관리할 수 있다.
전지를 사용하는 동안, 전지 차단 유닛(BDU)의 구성 요소가 가열되어 열 에너지를 방출하므로 전지 차단 유닛(BDU)의 구성 요소를 냉각해야 한다. 일반적으로 전지 차단 유닛(BDU)의 구성 요소는 전지 팩 내부의 밀폐된 하우징이나 부분적으로 열린 하우징 내에서 공기에 의해 냉각된다. 그런데 이를 위해서는 릴레이 및 퓨즈와 같은 전기 부품에 충분한 냉각 표면을 제공하기 위해 더 긴 버스 바가 필요하다. 여기서, 더 긴 버스 바는 저항과 손실을 가능한 한 낮게 유지하기 위해 버스 바의 훨씬 더 넓은 단면을 필요로 합니다. 또한 고속 충전을 위해 더 높은 전류를 실현할 경우, 예를 들어 길고 넓은 버스 바의 경우 훨씬 더 많은 전력 손실이 초래되고 전지 차단 유닛(BDU)의 구성 요소의 내부 발열이 발생한다.
본 개시의 실시예들은 상기한 문제점들을 감소시키거나 해결하고자 한다. 예를 들어, 차량용 전지 시스템이 제공되며, 이 전지 시스템은 복수의 연결된 이차 전지 셀을 갖는 고전압(high voltage, HV) 시스템을 포함한다. 실시예에 따르면, 연결된 복수의 이차 전지 셀은 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 전지 셀로 구성된 적어도 하나의 전지 모듈로서 사용된다. 실시예에 따르면, 적어도 하나의 전지 모듈은 복수의 적층된 이차 전지 셀을 갖는 서브 모듈을 포함할 수 있다. 본 개시 내용의 맥락에서, 고전압(HV)은 전기 자동차의 동력 구동을 추진하기에 충분한 전압을 지칭하며, 일반적으로 전기 자동차용 전지 시스템에 의해 제공된다. 예시적으로, 고전압은 48V 또는 그 이상(예: 100V, 300V)일 수 있다.
본 개시에 따르면, 전지 시스템은 캐리어 플레이트와, 캐리어 플레이트에 적어도 부분적으로 통합되며 고전압(HV) 시스템의 고전압(HV) 라인을 전환(또는 스위칭) 가능하게 개방 또는 폐쇄하도록 구성된 전지 차단 유닛(BDU) 릴레이 및, 전지 차단 유닛(BDU) 릴레이를 제어하도록 구성된 전지 차단 유닛(BDU) 제어 유닛을 포함하는 전지 차단 유닛(BDU)을 더욱 포함한다.
고전압(HV) 라인은 연결된 복수의 이차 전지 셀의 단자(또는 모듈 단자)와 전지 시스템의 단자 사이의 연결이며, 후자는 예를 들어 모터와 같은 외부 부하에 의해 접촉되도록 구성된다. 고전압(HV) 라인은 복수의 버스 바를 포함할 수 있다. 적어도 부분적으로, 고전압(HV) 라인은 캐리어 플레이트에 통합되고, 캐리어 플레이트는 높은 융점, 예를 들어, 200℃ 보다 높은 융점, 가령 300℃ 보다 높은(예: 350℃) 융점을 갖는 전기 비전도성 재료를 포함한다. 또한, 이 재료는 충분한 열전도도, 예를 들어 0.1 W/(m*K) 보다 높은, 가령 1 W/(m*K) 보다 높은(예: 5 (m*K)) 열전도도를 갖는다. 또한, 이 절연 재료는 플라스틱 재료이고 세라믹 또는 유리로 채워진 플라스틱 재료와 같은 열전도성 필러를 포함한다.
전지 차단 유닛(BDU) 제어 유닛은, 제어 신호를 기반으로 전지 차단 유닛(BDU)의 릴레이를 제어하도록 구성되며, 제어 신호는 자체적으로 전지 시스템의 측정을 기반으로 하거나 차량 제어 장치로부터 수신될 수 있다(예: 충돌 시). 따라서 전지 차단 유닛(BDU) 제어 유닛은 비정상적인 동작 상태의 경우 전지 시스템 단자로부터 복수의 전지 셀을 차단하도록 구성된다. 다시 말해, 전지 차단 유닛(BDU)은 전지 셀/모듈 단자와 전지 시스템 단자 사이의 고전압(HV) 전기 경로를 선택적으로 전도성 또는 비전도성으로 설정하도록 구성된다.
본 발명의 개시에 따르면, 전지 시스템은 액체 냉각 플레이트를 더욱 포함하고, 액체 냉각 플레이트는 캐리어 플레이트의 제1 측면에 배열된다. 캐리어 플레이트의 제1 측면은 캐리어 플레이트의 평평한 측면일 수 있고, 액체 냉각 플레이트의 평평한 측면이 제1 측면과 접촉하도록 액체 냉각 플레이트는 제1 측면 상에 배열될 수 있다. 실시예에 따르면, 액체 냉각 플레이트의 평평한 측면은 열 전도성 방식으로 캐리어 플레이트의 제1 측면과 접촉하여 액체 냉각 플레이트가 캐리어 플레이트를 냉각시키고 나아가 고전압(HV) 라인의 통합된 부분을 냉각시킨다. 캐리어 플레이트에 통합된 고전압(HV) 라인의 부분은 복수의 버스 바를 포함할 수 있다.
전지 시스템의 액체 냉각 플레이트는 HV 라인에 훨씬 더 작은 버스 바를 사용할 수 있게 하여 전지 차단 유닛(BDU)의 저항과 손실을 낮출 수 있다. 또한, 고전압(HV) 라인이 캐리어 플레이트에 적어도 부분적으로 통합됨에 따라 버스 바와 액체 냉각 플레이트 사이의 전기적, 물리적 절연이 향상되고 냉각 액체의 누출로 인한 전기적 오작동의 위험이 감소될 수 있다. 또한, 본 발명의 전지 시스템은 종래 전지 시스템의 일반적인 전지 차단 유닛(BDU)과 비교하여 전체 부피 및 중량이 감소될 수 있다. 이는 보다 효율적인 냉각 방법 즉, 액체 냉각 플레이트를 사용하고 상대적으로 더 작은 버스 바의 사용을 통해 달성할 수 있다. 본 실시예의 전지 시스템은, 전지 차단 유닛(BDU)을 보다 효과적으로 냉각함으로써 가령, 고속 충전과 같이 상대적으로 더 높은 부하 애플리케이션에 사용될 수 있다. 일반적으로 전지 차단 유닛(BDU) 구성 요소, 예를 들어 버스 바는 액체 냉각 플레이트에 의해 매우 효율적이고 능동적으로 냉각되므로 전지 차단 유닛(BDU)을 통해 전지 시스템에 더 높은 부하를 가할 수 있다.
본 개시의 다른 측면에 따르면, 액체 냉각 플레이트는 냉각 액체를 전하도록 구성된 캐비티(또는 공동)를 포함한다. 캐비티는, 예를 들어, 액체 냉각 플레이트의 냉각 입구와 냉각 출구를 유체적으로 연결하는 액체 냉각 플레이트 내의 폐쇄된 캐비티일 수 있다. 즉, 냉각 입구를 통해 캐비티로 유입된 냉각수는 캐비티를 통해 냉각 출구를 향해 흐를 수 있고, 냉각 출구를 통해 캐비티로부터 배출될 수 있다.
실시예에 따르면, 액체 냉각 플레이트는 캐리어 플레이트의 제1 측면이 액체 냉각 플레이트 상에 맞춰 배치되도록 구성된다. 즉, 액체 냉각 플레이트의 제1 측면과 캐리어 플레이트의 제1 측면이 서로 맞물리는 형상이다. 액체 냉각판 플레이트의 캐비티는 냉각 액체를 위한 적어도 하나의 (일부 실시예에서는 다중의) 유동 채널을 형성할 수 있다. 실시예에 따르면, 냉각 액체는 물일 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 냉각 액체는 또 다른 적절한 액체 냉각 매체일 수 있다. 실시예에 따르면, 액체 냉각 플레이트는 전지 시스템의 냉각 시스템의 일부일 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 액체 냉각 플레이트는 독립적일 수 있다.
전지 시스템의 실시예에 따르면, 전지 시스템은 고전압(HV) 시스템의 작동 전압보다 낮은 작동 전압을 갖는 저전압(low voltage, LV) 시스템을 더욱 포함한다. 전지 차단 유닛(BDU) 제어 유닛은 저전압(LV) 시스템과 조립된다. 즉, 전지 차단 유닛(BDU) 제어 유닛은 저전압(LV) 시스템에서 공급 전원을 받는다. 예시적으로, 저전압(LV) 동작 전압은 12V 또는 전지 시스템 및/또는 차량의 저전압 시스템에서 사용되는 다른 전압일 수 있다. 실시예에 따르면, 저전압(LV) 시스템은 전지 시스템의 전지 시스템 관리부(battery system manager, BSM) 및 복수의 센서를 더욱 포함한다. 즉, 전지 시스템의 LV 시스템은 시스템 전압, 시스템 전류 및/또는 전지 시스템 내부의 여러 위치에서 로컬 온도를 측정하여 전지 시스템의 상태를 모니터링하고, 측정된 데이터를 처리하고 처리된 데이터를 기반으로 전지 구성 요소에 신호를 보내도록 설계된다. 예를 들어, 전지 시스템의 비정상 작동 상태의 경우, 저전압(LV) 시스템은 측정 데이터의 이상을 감지하고 전지 차단 유닛(BDU) 제어 유닛과 함께 전지 차단 유닛(BDU) 릴레이에 신호를 보내 HV 라인을 차단할 수 있다. 실시예에 따르면, 전지 시스템 관리부(BSM)는 외부 제어 유닛(예: 차량 제어 유닛)으로부터 차단 요청 신호를 수신하고 수신된 차단 요청 신호에 응답하여 비전도성 전지 차단 유닛(BDU) 릴레이를 설정하도록 차단 신호를 전송하기 위해, 외부 제어 유닛과 통신할 수 있도록 구성된다.
실시예에 따르면, 전지 차단 유닛(BDU)은 예를 들어 BDU 릴레이를 포함하는 고전압(HV) 구성 요소, 및 예를 들어 전지 차단 유닛(BDU) 제어 유닛을 포함하는 저전압(LV) 구성 요소를 더욱 포함한다. 본 발명에 따르면, 전지 차단 유닛(BDU)의 고전압(HV) 구성 요소 및 저전압(LV) 구성 요소는 캐리어 플레이트의 제2 측면 상에 배열되고, 캐리어 플레이트의 제2 측면은 캐리어 플레이트의 제1 측면에 대향한다.
실시예에 따르면, 전지 차단 유닛(BDU)의 고전압(HV) 구성 요소 및 저전압(LV) 구성 요소는 캐리어 플레이트의 제2 측면에 통합 및/또는 고정된다. 전지 차단 유닛(BDU)의 고전압(HV) 및 저전압(LV) 구성 요소를 캐리어 플레이트의 제2 측면에 장착하면 열전도율이 충분한 캐리어 플레이트의 재질로 인해 이들 구성 요소도 액체 냉각 플레이트에 의해 냉각된다. 저전압(LV) 구성 요소, 특히 릴레이와 같은 전지 차단 유닛(BDU)의 고전압(HV) 구성 요소의 냉각은 전지 차단 유닛(BDU) 구성 요소의 수명을 연장시키는데 유리하다. 예를 들어, 고전압(HV) 구성 요소 및/또는 저전압(LV) 구성 요소는 표면 실장 장치(SMD)로 구성된다.
실시예에 따르면, 고전압(HV) 라인은 복수의 버스 바를 포함하고, 여기서 버스 바는 캐리어 플레이트에 적어도 부분적으로 통합된다. 버스 바는 국부적으로 고전류 배전을 위한 스트립 또는 바입니다. 실시예에 따르면, 복수의 버스 바는 금속으로 만들어질 수 있다. 실시예에 따르면, 버스 바는 스탬핑된 그리드 구리를 포함한다. 이와 달리, 버스 바는 알루미늄 또는 적절한 합금으로 형성될 수도 있다.
실시예에 따르면, 전지 차단 유닛(BDU)의 고전압(HV) 구성 요소는 고전압(HV) 라인에 연결된 전도성 층을 포함하며 캐리어 플레이트의 제2 면에 배치된 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)을 한다. 또한, 전지 차단 유닛(BDU)의 고전압(LV) 구성 요소는 저전압 인쇄 회로 기판(LV-PCB)을 포함한다. 여기서, 전지 차단 유닛(BDU)의 고전압(HV) 구성 요소 및 저전압(LV) 구성 요소는 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB) 상에 배치된다. 실시예에 따르면, 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)은 캐리어 플레이트에 적어도 부분적으로 통합된다. 대안적으로 일부 실시예에 따르면, 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)은 제1 측면 및 대향하는 제2 측면을 포함한다. 여기서 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)의 제1 측면은 캐리어 플레이트의 제2 측면에 배치되고, 전지 차단 유닛(BDU)의 고전압(HV) 구성 요소 및 저전압(LV) 구성요소는 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)의 제2 측면에 배치된다. 다시 말해서, 일부 실시예에 따르면, 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB) 및 캐리어 플레이트는 서로 포개지게 배열되나 서로 통합되지 않는 2개의 상이한 구성요소이다.
고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)은 관련 시스템에서 활용될 수 있는 고전압(HV) 배선 하니스를 대체하도록 구성될 수 있다. 다시 말해서, 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)은 가령 측정을 수행하기 통합 방식으로 고전압(HV) 라인(또한 적어도 부분적으로 캐리어 플레이트에 통합됨)과 전지 차단 유닛(BDU) 제어 유닛 사이의 전기적 연결을 제공한다. 실시예에 따른 전지 차단 유닛(BDU)은 전지 셀과 시스템 단자 사이에서 고전압(HV)을 전도하고 고전압(HV) 라인에 대한 측정 액세스를 허용하기 위한 완전히 통합된 고전압(HV) 구성 요소일 수 있다. 이러한 측정 접근은 적어도 하나의 도전층에 의해 제공될 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 실시예들은 간단한 전지 어셈블리 또는 전지 시스템을 제공할 수 있다. 고전압(HV) 와이어링 하니스 대신 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)을 사용함으로써 부품 수를 상대적으로 줄일 수 있다. 또한 와이어링 하니스는 자동 조립에 적합하지 않을 수 있기 때문에 이를 제거하면 조립 프로세스가 단순화될 수 있다.
실시예에 따르면, 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)은 프리 차지 트레이스 저항을 더욱 포함하고 프리 차지 트레이스 저항은 전도성 트레이스를 포함한다. 또한, 전도성 트레이스는 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)의 전도성 층에 의해 형성될 수 있다. 인쇄 회로 기판(PCB) 상에 프리 차지 트레이스 저항을 사용함으로써, 본 발명은 하나 이상의 기성 프리 차지 저항 제품을 대체할 수 있고 이에 따라서 조립 프로세스를 더욱 단순화할 수 있다. 즉, 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)의 전도층은 고전압(HV) 라인에 대한 측정 액세스를 제공할 뿐만 아니라 전지 모듈의 프리 차지를 수행하는 데 필요한 전기 부품을 형성할 수도 있다. 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)은 예를 들어 통합 션트 저항기 또는 전압 분배기를 형성하기 위한 다른 전도성 트레이스를 더욱 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)은 션트(shunt)를 더욱 포함한다. 본 개시의 전지 시스템에서 션트의 능동 냉각으로 전류 측정에 대한 정확도를 상대적으로 증가시킬 수 있는데, 이는 션트의 온도가 능동 냉각을 사용하여 조절될 수 있어 오류를 줄이거나 최소화할 수 있기 때문이다.
실시예에 따르면, 저전압 인쇄 회로 기판(LV-PCB)은 제1 접촉 수단을 포함하고 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)은 저전압 인쇄 회로 기판(LV-PCB)과 고 전압 인쇄 회로 기판 사이의 데이터 연결을 설정하기 위해 제1 접촉 수단을 수용하도록 구성된 제2 접촉 수단을 포함한다. 실시예에 따르면, 제2 접촉 수단은 일종의 소켓이고 제1 접촉 수단은 소켓에 끼워질 수 있는 종류의 플러그이거나 그 반대일 수 있다. 즉, 접촉 수단은 예를 들어 Peripheral Component Interconnect Express(PCIe)와 같은 인쇄 회로 기판(PCB) 커넥터의 두 부분일 수 있다. 본 발명의 이러한 측면에서, HV-PCB는 고전압 마더보드처럼 활용되고 저전압 인쇄 회로 기판(LV-PCB)은 플러그 연결을 통해 고전 인쇄 회로 기판(HV-PCB)에 장착될 수 있으며, 이는 조립 프로세스 및 저전압 인쇄 회로 기판(LV-PCB)의 최종 교체를 단순화할 수 있다.
본 개시의 다른 측면에 따르면, 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)은 버스 바 연결 영역을 포함하고, 여기서 각각의 버스 바 연결 영역은 복수의 버스 바 중 하나의 일부를 노출시킨다. 버스 바 연결 영역은 예를 들어 캐리어 플레이트에 통합(또는 내장)된 버스 바를 부분적으로 노출시키기 위해 HV-PCB의 개구부로 형성될 수 있다. 고전압(HV) 라인에 통합되도록 구성된 전지 차단 유닛(BDU) 구성 요소(예: 퓨즈 또는 릴레이)는 버스 바 연결 영역, 즉 2개의 버스 바 연결 영역에 적용됨으로써 2개의 버스 바 사이에 간단하게 연결될 수 있다.
따라서 이러한 측면에서도 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)은 고전압 마더보드처럼 활용되어 플러그 연결을 통해 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)에 장착될 수 있는 전지 차단 유닛(BDU) 구성 요소(예: 릴레이 또는 퓨즈)를 연결하는 버스 바의 최종적인 교체와 조립 프로세스는 단순화할 수 있다. 실시예에 따르면, 버스 바 연결 영역은 전지 차단 유닛(BDU) 구성 요소의 연결 요소를 수용하도록 구성된 버스 바의 일부를 노출한다.
실시예에 따르면, 전지 차단 유닛(BDU) 구성요소는 적어도 하나의 파이로 퓨즈(Pyrofuse), 적어도 하나의 릴레이 및/또는 용융 퓨즈를 포함한다. 파이로 퓨즈는 파이로테크닉 안전 스위치로 빠른 전지 격리를 제공하며, 파이로테크닉 안전 스위치(Pyrotechnic Safety Switch, PSS)라고도 불리운다. 일부 실시예의 측면은 파이로테크닉 안전 스위치를 활용하여 관련 시스템에서 사용되는 적어도 하나의 용융 안전 스위치를 대체할 수 있다. 적어도 하나의 파이로테크닉 안전 스위치, 릴레이 및/또는 용융 퓨즈는 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)에 표면 실장될 수 있다. 실시예에 따르면, 적어도 하나의 릴레이 및/또는 퓨즈는 2개의 버스 바 연결 영역을 서로 연결하기 위해 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)에 표면 실장된다. 버스 바는 연결된 복수의 이차 전지 셀의 단자를 전지 시스템 단자와 연결하는 전지 시스템의 고전압(HV) 라인의 일부이다. 적어도 하나의 릴레이 및/또는 퓨즈로 2개의 버스 바 연결 영역을 연결함으로써 전지 시스템의 비정상적인 작동 상태의 경우, 고전압(HV) 라인과 전지 셀과 전지 시스템 단자 사이의 연결이 끊어진다.
실시예에 따르면, 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)은 제2 접촉 수단과 캐리어 플레이트의 제2 측면에 형성된 적어도 하나의 장착 소켓을 연결하는 복수의 데이터 라인을 더욱 포함한다. 실시예에 따르면, 적어도 하나의 장착 소켓은 전지 차단 유닛(BDU) 제어 유닛과 같은 전지 차단 유닛(BDU)의 저전압(LV) 구성요소에 의해 제어되는 스위칭 가능한 릴레이 등과 같은 전지 차단 유닛(BDU)의 고전압(HV) 구성요소를 수용하도록 구성된다. 따라서 데이터 라인은 예를 들어 제2 접촉 수단에 연결된 저전압 인쇄 회로 기판(LV-PCB)에 형성된 전지 차단 유닛(BDU) 제어 유닛과 장착 소켓에 연결된 고전압(HV) 구성요소 사이의 전기적 연결을 제공할 수 있다. 실시예에 따르면, 장착 소켓은 적어도 하나의 버스 바 연결 영역에 인접 배치되어, 가령 릴레이가 스위칭 신호를 수신하기 위한 데이터 라인과 전도도를 설정하기 위한 고전압(HV) 라인에 연결될 수 있도록 한다.
실시예에 따르면, 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)의 장착 소켓에는 적어도 하나의 센서가 장착될 수 있다. 따라서, 제1 접촉 수단과 함께 제2 접촉 수단에 연결된 저전압 인쇄 회로 기판(LV-PCB)은 각각의 장착 소켓 및 데이터 라인을 통해 적어도 하나의 센서로부터 전류, 전압 또는 온도 데이터와 같은 데이터를 수신할 수 있다. 연결된 저전압 인쇄 회로 기판(LV-PCB)은 수신된 데이터를 사용하여 전지 차단 유닛(BDU)의 상태, 가령, 장착 소켓에 연결된 전지 차단 유닛(BDU) 구성 요소의 상태를 모니터링할 수 있다.
실시예에 따르면, 전지 차단 유닛(BDU)은 액체 냉각 플레이트와 캐리어 플레이트 사이 및/또는 캐리어 플레이트와 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB) 사이에 배열된 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층을 더욱 포함한다. 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층은 열 전도율은 높지만 전기 전도율은 낮다. 이러한 특성은 전기 전도성이 낮은 절연체에서 포논의 원자 진동이 열 전달에 매우 효율적일 때 발생한다. 즉, 열은 포논과 전자 모두에 의해 전달되는 반면 높은 전기 전도성을 위해서는 자유 전자가 필요하기 때문이다. 실시예에 따르면, 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층은 0.1 W/(m*K) 이상, 좋기는 0.5 W/(m*K) 이상, 더욱 좋기는 1 W/(m*K) 이상의 열전도율을 가질 수 있다. 질화붕소 및 탄화규소의 다형체, 질화알루미늄 또는 질화알루미늄 층과 같은 재료가 두 개의 구리 층 사이에 끼워져 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층으로 사용될 수 있다. 그러나, 당업자는 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층으로 사용될 수 있는 다른 재료를 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기한 본 발명의 전지 모듈을 포함하는 차량이 제공된다. 차량의 실시예는 위에서 설명된 바와 같은 전지 모듈의 실시예에 대응한다.
본 개시의 추가 측면은 종속항 또는 도면의 다음 설명으로부터 알 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예의 측면을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀을 나타내는 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀(10)은 전극조립체와, 전극조립체를 수용하는 케이스(2)를 포함할 수 있으며, 케이스(2)에는 전해질이 주입된다. 전해질은 LiPF6 또는 LiBF4와 같은 리튬 염, 및 EC, PC, DEC 또는 EMC와 같은 유기 용매를 포함할 수 있다. 전해질은 액체, 고체 또는 겔 상태일 수 있다. 또한, 전지 셀(10)은 케이스(2)의 개구를 밀봉하기 위한 캡 조립체(3)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 전지 셀(10)은 각형의 리튬 이온 이차 전지의 비제한적인 예로서 설명될 것이다.
케이스(2)는 실질적으로 직육면체 형상으로 이루어질 수 있으며, 일측에 개구가 형성될 수 있다. 케이스(2)는 알루미늄과 같은 금속으로 형성될 수 있다. 캡 조립체(3)는 케이스(2)에 결합되어 케이스(2)의 개구를 덮는 캡 플레이트(4)를 포함할 수 있으며, 캡 플레이트(4)로부터 외부로 돌출되어 양극 및 음극에 각각 전기적으로 연결되는 양극 단자(11)(제1 셀 단자) 및 음극 단자(12)(제2 셀 단자)를 포함할 수 있다. 캡 플레이트(4)는 캡 조립체(3)의 내부와 연통되는 주입구(13) 및 벤트 홀(14)을 포함할 수 있다. 주입구(13)는 전해액이 주입될 수 있도록 구성되며, 그 위 또는 내부에 밀봉 캡이 장착될 수 있다. 또한, 벤트 홀(14)에는 소정의 압력에 의해 개방될 수 있는 노치(15)를 포함한 벤트 부재(16)가 장착될 수 있다.
도 2를 참조하면, 일부 실시예에 따른 전지 모듈(20)은 복수의 전지 셀(10), 예를 들어, 전지 셀(10)을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이. 도 1에 도시된 바와 같이, 일 방향으로 정렬되며, 복수의 전지 셀(10)의 바닥면에 인접하게 구비되는 열교환 부재(23)를 포함한다. 또한, 지지 플레이트(25)와 열교환 부재(23) 사이에는 고무 등의 탄성 재질로 이루어진 탄성 부재(24)가 개재될 수 있다. 한 쌍의 엔드 플레이트(26)가 전지 셀(10)의 외측에서 전지 셀(10)의 넓은 면과 마주하도록 배치되고, 연결 플레이트(27)는 한 쌍의 엔드 플레이트(26)와 서로 연결되어 복수의 전지 셀(10)을 고정하도록 구성된다. 전지 모듈(20) 양측의 체결부(28)는 볼트(29)에 의해 지지 플레이트(25)에 체결된다.
전지 모듈(20)에서, 각각의 전지 셀(10)은 각형(또는 직사각형)의 셀이고, 전지 셀(10)의 넓은 평면이 마주하도록 적층되어 전지 모듈(20)을 형성한다. 이웃하는 전지 셀(10)의 양극 단자(11)와 음극 단자(12)는 전지 모듈 버스 바(18)를 통해 전기적으로 연결되며, 버스 바(18)는 너트 등으로 고정될 수 있다. 따라서, 전지 모듈(20)은 복수의 전지 셀(10)이 하나의 번들(묶음)로 전기적으로 연결되고 구성되며, 이는 전원 유닛으로 사용될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 전지 시스템(50)을 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 전지 시스템(50), 특히 전지 모듈(20)과 전지 시스템(50)의 전지 차단 유닛(Battery Disconnect Unit, BDU, 이하 편의상 BDU라 함)(80) 사이의 전기적 연결에 대한 더 나은 이해성을 위해 제공된 것이다. 전지 시스템(50)은 전기 자동차에 활용될 수 있으므로 전지 시스템(50)은 단일 레벨만을 가지고 구성될 수 있다.
전지 시스템(50)은 전지 모듈(20)을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전지 모듈(20)은 서로 마주 보는 넓은 측면 방향으로 설정된 적층 방향으로 적층되어 정렬된 10개의 전지 셀(10)을 포함한다. 복수의 전지 셀(10)은 모듈 단자(21, 22), 즉 제1 모듈 단자(21)와 제2 모듈 단자(22) 사이의 각각의 버스 바(18)에 의해 상호 연결된다.
전지 시스템(50)은 캐리어 플레이트(81)와 그 아래에 배치되는 액체 냉각 플레이트(60)를 포함하는 BDU(80)를 더욱 포함한다. 또한, BDU(80)는 BDU 구성 요소를 포함한다. BDU 구성 요소는 BDU 제어 유닛(86), 2개의 BDU 릴레이(87), 즉 제1 BDU 릴레이(87a) 및 제2 BDU 릴레이(87b), 2개의 BDU 퓨즈(88), 즉, 제1 BDU 퓨즈(88a) 및 제2 BDU 퓨즈(88b), 및 복수의 BDU 버스 바(31), 즉 제1 BDU 버스 바(31a) 및 제2 버스 바(31b)를 포함한다. BDU 제어 유닛(86)은 BDU 릴레이(87a, 87b)를 제어하도록, 예를 들어 BDU 릴레이(87a, 87b)의 전도도를 설정하도록 구성된다. BDU 제어 유닛(86)은 BDU 퓨즈(88a, 88b)를 제어하도록, 예를 들어 BDU 퓨즈(88a, 88b)의 상태를 모니터링하도록 더욱 구성된다.
일부 실시예에 따르면, BDU 제어 유닛(86)은 전지 시스템(50)의 오작동을 나타내는 신호를 수신하도록 구성 및/또는 부하로부터 적어도 하나의 전지 모듈(20)을 차단할 필요가 있음을 나타내는 신호를 수신하도록 구성될 수 있고, 이러한 신호 수신에 응답하여, BDU 릴레이(87a, 87b) 및 BDU 퓨즈(88a, 88b)와 같은 추가 BDU 요소를 제어하여 각각의 시스템 단자(결과적으로 다운스트림 부하)로부터 적어도 하나의 전지 모듈(20)을 차단하도록 구성된다. BDU의 일부로서 이러한 구성요소의 기능은 당업자에게 알려져 있다. 더욱이, 당업자가 임의의 다른 수 BDU 릴레이 및 BDU 퓨즈를 사용할 수 있기 때문에(예: BDU 퓨즈의 수를 2개가 아닌 1개로 한정), 제시된 BDU 요소는 BDU 릴레이 및 BDU 퓨즈의 수에 제한되지 않는다.
전지 모듈(20)의 제1 모듈 단자(21)는 제1 고전류 케이블(30c) 및 제1 BDU 버스 바(31a)를 포함하는 고전압(high voltage, HV, 이하 편의상 HV라 함) 라인의 제1 HV 라인(30a), 제1 BDU 릴레이(87a) 및 제1 BDU 퓨즈(88a)를 통해 전지 시스템(50)의 제1 (양극) 전지 시스템 단자(51)에 연결된다. 전지 모듈(20)의 제2 모듈 단자(22)는 제2 고전류 케이블(30d) 및 제2 BDU 버스 바(31b)를 포함하는 HV 라인의 제2 HV 라인(30b), 제2 BDU 릴레이(87b) 및 제2 BDU 퓨즈(88b)를 통해 전지 시스템(50)의 제2 (음극) 전지 시스템 단자(52)에 연결된다. 이에 BDU 버스 바(31a, 31b) 및 전지 모듈 버스 바(18)를 포함하는 HV 라인(30)에 의해 고전류 경로가 형성된다. HV 라인(30) 및 BDU 버스 바(31a, 31b)는 각기 BDU 릴레이(87a 및 87b) 및 BDU 퓨즈(88a 및 88b)를 통해 전지 시스템(50)의 전지 모듈(20)의 모듈 단자(21, 22)를 시스템 단자(51, 52)와 각각 연결한다.
전지 시스템(50)은 도 3에 도시된 바와 같이 전지 시스템(50)의 하우징(70) 내부에 위치한 전지 시스템 관리부(Battery System Manager, BSM, 77, 이하 편의상 BSM이라 함)를 더욱 포함할 수 있다. BSM(77)은 예를 들어, 시스템 전압, 시스템 전류, 하우징(70) 내의 다른 위치에서의 국부 온도, 충전 부품과 하우징(70) 사이의 절연 저항을 측정함으로써 전체 전지 시스템(50)을 모니터링하도록 구성된다. BSM(77)은 전지 시스템(50)의 비정상 상태의 존재를 판단하고, 가령 차량의 운전자에게 경고 신호를 전송하는 것과 같이, 결정된 비정상 상태와 관련된 적어도 하나의 대응책을 실행하도록 수행하거나 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, BSM(77)은 차단 신호(Disconnect Signal, DS)를 수신하는 응답으로, BDU 요소, 즉 BDU 릴레이(87) 및 BDU 퓨즈(88)를 제어하는 차단 신호(DS)를 BDU 제어 유닛(86)에 전송하여 모듈 단자(21, 22)로부터 단자(51, 52)를 각각 분리한다. 실시예에 따르면, BDU 제어 유닛(86)은 모듈 단자(21, 22)로부터 시스템 단자(51, 52)로의 전류 경로를 분리하여 BDU 릴레이(87)의 전도 상태를 비전도성으로 제어한다.
그런데 BDU 릴레이(87) 중 하나 이상이 오작동하는 경우, BDU 제어 유닛(86)은 전지 모듈(20)의 최종 과전류에 대응하여 BDU 퓨즈(88) 중 하나가 끊어졌는지 여부를 감지할 수 있고, BDU 퓨즈(88) 중 하나 또는 2개가 끊어지면 전지 시스템(50)이 안전한 상태에 도달한 것으로 감지할 수 있다. 일반적으로, BDU 제어 유닛(86) 자체는 전지 차단 유닛(80)의 비정상 상태의 존재를 정하고, 결정된 비정상 조건과 관련된 적어도 하나의 조치를 실행하도록 수행하거 제어하도록 구성될 수 있다. BSM(77)과 BDU 제어 유닛(86) 사이, BDU 제어 유닛(86)과 BDU 릴레이(87a, 87b) 사이, 및 BDU 제어 유닛(86)과 BDU 퓨즈(88a, 88b) 사이의 저전압(Low Voltage, LV, 이하 LV라 함) 라인은 상술한 신호를 송수신하기 위해 필요하며 이는 도 3에서 굵은 실선으로 도시된 HV 라인과의 차이를 보여 주기 위해 얇은 실선으로 도시되었다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 BDU(80)를 도시한다. 도 4a는 BDU(80)의 사시도를 도시하고, 도 4b는 BDU(80)의 평면도를 도시한다.
액체 냉각 플레이트(60)가 캐리어 플레이트(81)의 제1 측면(81a)에 배열된다. 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층(TIM, 89)이 캐리어 플레이트(81)와 액체 냉각 플레이트(60) 사이에 배열된다. 고전압 인쇄 회로 기판(High Voltage Printed Circuit Board, HV-PCB, 이하 편의상 HV-PCB라 함)(85)이 캐리어 플레이트(81)의 제1 측면(81a)에 대향하는 캐리어 플레이트(81)의 제2 측면(81b)에 배열된다. BDU 구성 요소 중 일부는 버스 바(31)와 더불어 캐리어 플레이트(81)에 적어도 부분적으로 통합되는 바, 이에 도 4에는 부분적으로만 도시되어 있다. HV-PCB(85)는 HV 라인(30)에 연결된 도전층을 포함한다. 션트(shunt, 83)와 프리 차지 트레이스 저항(pre-charge trace-resistor, 84)은 모두 HV-PCB(85)의 일부이다. HV-PCB(85)는 저전압 인쇄 회로 기판(Low Voltage Printed Circuit Board, LV-PCB, 이하 편의상 LV-PCB라 함)(40)의 제1 접촉 수단(43a)을 수용하도록 구성된 제2 접촉 수단(43b)을 더욱 포함한다. 접촉 수단(43a, 43b) 모두는 PCB 커넥터(43)의 일부로서 도시되어 있다. BDU 버스 바(31)는 캐리어 플레이트(81)에 부분적으로 통합(또는 일체화)되고, 각각의 버스 바의 일부가 노출되어 버스 바 연결 영역(82)을 형성한다.
추가 BDU 구성 요소는 HV-PCB(85)의 제2 측면(85b)에 배치되고 HV-PCB(85)는 HV-PCB(85)의 제1 측면(85a)이 캐리어 플레이트(81)의 제2 측면(81b)에 배치되도록 캐리어 플레이트(81)의 제2 측면(81b)에 배치된다. 여기서 HV-PCB(85)의 제1 측면(85a)은 HV-PCB(85)의 제2 측면(85b)에 대향한다.
BDU 릴레이(87) 및 BDU 퓨즈(88a, 88b, 88c)와 같은 HV BDU 구성요소 중 일부는 2개 버스 바 사이의 연결과 HV BDU 구성 요소의 측정된 센서 데이터를 위해 LV-PCB(40) 연결을 설정하기 위해 버스 바 연결 영역(82)에 인접하게 배치된 장착 소켓(82a)에 설치된다. 도 4에 도시된 본 발명의 실시예는 3개의 BDU 퓨즈(88a, 88b, 88c)를 포함하며, 이들 각각은 2개의 BDU 버스 바에 연결된다. 하나의 BDU 퓨즈(88c)는 파이로테크닉 안전 스위치(pyrotechnic safety switch) 또는 파이로테크닉 퓨즈(예: PYROFUSE®)일 수 있고 2개의 BDU 퓨즈(88a, 88b)는 용융형 퓨즈일 수 있다.
BDU(80)의 LV 구성 요소는 PCB 커넥터(43)를 통해 HV-PCB(85)에 연결된 LV-PCB(40)에 설치된다. LV-PCB(40)는 BDU(80)의 LV 전자 장치(42)와 BDU 제어 유닛(86)의 CPU(41)를 포함한다. LV-PCB(40)에 설치된 BDU(80)의 LV 구성요소는 도 3에 도시된 바와 같이 BDU 제어 유닛(86) 및 대응하는 배선을 포함한다.
액체 냉각 플레이트(60)는 캐리어 플레이트(81)의 제1 측면(81a)에 장착된다. 액체 냉각 플레이트(60)는 냉각 입구(61) 및 냉각 출구(62)를 포함한다. 냉각 액체는 액체 냉각 플레이트(60)의 캐비티를 통해, 예를 들어 액체 냉각 플레이트(60) 내부의 복수의 유로를 통해 냉각 입구(61)에서 냉각 출구(62)로 흐르면서 통합된 버스 바(31a, 31b)와 HV-PCB(85)와 더불어 캐리어 플레이트(81)를 냉각시킨다. 이에 따라 냉각 입구(61) 측의 액체 냉각 플레이트(60)의 차가운 측(또는 면)(60a)과 냉각 출구(62) 측의 액체 냉각 플레이트(60)의 뜨거운 측(또는 면)(60b)이 이어진다.
버스 바(31a, 31b)는 전기적 및 열적으로 전도성이므로 이에 버스 바(31a, 31b)는 캐리어 플레이트(81)의 제2 측면(81b)에 장착된 BDU 구성요소에 열 접촉을 제공하여 전지 시스템(50)의 작동 시, BDU 구성요소가 열 에너지를 방출하고 이 방출된 열 에너지를 전도에 의해 버스 바(31a, 31b)로 전달한다.
이러한 배열로 인해 캐리어 플레이트(81)의 제2 측면(81b)에 장착된 BDU 구성요소, 특히 BDU 릴레이(87)와 같은 HV 구성요소는 동일하게 냉각된다. 전기 자동차의 전지 시스템(50)의 요구 사항에 따라 BDU 릴레이(87)를 통해 전류가 흐른다. BDU 릴레이(87)는 내부 저항을 가지므로 발열한다. 따라서, 전지 시스템(50)의 동작 중, 특히 BDU 릴레이(87)는 열 에너지를 방출하고, 그 결과 전지 시스템(50)의 온도가 상승한다. 이러한 결과는 전지 시스템(50) 전체의 성능에 부정적인 영향을 미칠 것이다. 따라서 냉각을 통해 방출된 열을 전달할 필요가 있다.
도 4에 도시된 실시예의 BDU(80)는 컴팩트한 구조를 가지면서 효율적인 제조를 가능하게 한다. 실시예에 따르면, BDU 구성요소의 일부, 가령 BDU 퓨즈(88a, 88b, 88c)가 교체되어야 할 때, 버스 바 연결 영역에서 쉽게 분리와 교체가 가능하다. 또한, LV-PCB는 예를 들어 업데이트가 필요한 경우, PCB 커넥터(43)로 인해 쉽게 교체될 수 있.
본 발명의 몇몇 실시예의 효과 및 특징은 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 명세서에 포함되는 보다 다양한 효과가 포함될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예의 측면이 설명되었지만, 본 발명은 이러한 예시적인 실시예에 제한되지 않아야 하며, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다.
따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용에 한정되지 않고 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 정의되어야 한다.
30 고전압(HV) 라인
30a 제1 고전압(HV) 라인
30b 제2 고전압(HV) 라인
30c 제1 고전류 케이블
30d 제2 고전류 케이블
31 전지 차단 유닛(BDU) 버스 바
31a 제1 전지 차단 유닛(BDU) 버스 바
31b 제2 전지 차단 유닛(BDU) 버스 바
40 저전압 인쇄 회로 기판(LV-PCB)
41 CPU
42 저전압 전지 차단 유닛(LV BDU) 전자 장치
43 인쇄 회로 기판(PCB) 커넥터
43a 제1 접촉 수단
43b 제2 접촉 수단
50 전지 시스템
51, 52 전지 시스템 단자
60 액체 냉각판
60a 액체 냉각판(차가운 쪽)
60b 액체 냉각판(뜨거운 쪽)
61 냉각 입구
62 냉각 출구
70 하우징
77 전지 시스템 관리부(BSM)
80 전지 차단 유닛(BDU)
81 캐리어 플레이트
81a 캐리어 플레이트의 제1 측면
82 버스 바 연결 영역
83 션트
84 프리 차지 트레이스 저항
85 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)
85b 고전압 인쇄 회로 기판(HV-PCB)의 제2 측면
86 전지 차단 유닛(BDU) 제어 유닛
87 전지 차단 유닛(BDU) 릴레이
87a 제1 전지 차단 유닛(BDU) 릴레이
87b 제2 전지 차단 유닛(BDU) 릴레이
88 전지 차단 유닛(BDU) 퓨즈
88a 제1 전지 차단 유닛(BDU) 퓨즈
88b 제2 전지 차단 유닛(BDU) 퓨즈
88c 파이로퓨즈
89 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층(TIM)

Claims (15)

  1. 복수의 연결된 이차 전지 셀을 갖는 고전압 시스템;
    캐리어 플레이트, 상기 캐리어 플레이트에 적어도 부분적으로 통합되며, 상기 고전압 시스템의 고전압 라인을 전환 가능하게 개방 또는 폐쇄하도록 구성된 전지 차단 유닛 릴레이, 및 상기 전지 차단 유닛 릴레이를 제어하도록 구성된 전지 차단 유닛 제어 유닛을 포함하는 전지 차단 유닛; 및
    상기 캐리어 플레이트의 제1 측면에 배치된 액체 냉각 플레이트,
    를 포함하는 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체 냉각 플레이트는 냉각 액체를 전달하도록 구성된 캐비티를 포함하고, 상기 캐리어 플레이트는 상기 캐리어 플레이트의 제1 측면이 상기 액체 냉각 플레이트에 맞물린 형상을 갖는 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고전압 시스템의 동작 전압보다 낮은 동작 전압을 갖는 저전압 시스템을 더욱 포함하고, 상기 전지 차단 유닛 제어 유닛은 상기 저전압 시스템과 통합되는 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전지 차단 유닛은 상기 전지 차단 유닛 릴레이를 포함하는 고전압 구성 요소, 및 상기 전지 차단 유닛 제어 유닛을 포함하는 저전압 구성 요소를 더욱 포함하고, 상기 전지 차단 유닛의 고전압 구성 요소 및 저전압 구성 요소는 상기 캐리어 플레이트의 제1 측면에 대향한 제2 측면에 배치된 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고전압 라인은 상기 캐리어 플레이트에 적어도 부분적으로 통합되는 복수의 버스 바를 포함하는 전지 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전지 차단 유닛의 고전압 구성 요소는 상기 캐리어 플레이트의 제2 측면 상에 배치된 고전압 인쇄 회로 기판을 포함하고, 상기 전지 차단 유닛의 저전압 구성 요소는 저전압 인쇄 회로 기판을 포함하며, 상기 고전압 인쇄 회로 기판은 상기 고전압 라인에 연결된 도전층을 포함하고, 상기 전지 차단 유닛의 고전압 구성 요소와 저전압 구성요소는 상기 고전압 인쇄 회로 기판에 있는 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고전압 인쇄 회로 기판은 프리 차지 트레이스 저항을 포함하고, 상기 프리 차지 트레이스 저항은 전도성 트레이스를 포함하는 전지 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 고전압 인쇄 회로 기판은 션트를 더욱 포함하는 전지 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 저전압 인쇄 회로 기판은 제1 접촉 수단을 포함하고, 상기 고전압 인쇄 회로 기판은 상기 저전압 인쇄 회로 기판과 상기 고전압 인쇄 회로 기판 사이의 데이터 연결을 설정하기 위해 상기 제1 접촉 구성요소를 수용하도록 구성된 제2 접촉 수단을 포함하는 전지 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 고전압 인쇄 회로 기판은 복수의 버스 바 중 하나의 일부를 노출시키는 복수의 버스 바 연결 영역을 포함하는 전지 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 전지 차단 유닛의 구성요소는 적어도 하나의 파이로테크닉 안전 스위치, 적어도 하나의 릴레이, 및/또는 적어도 하나의 용융 퓨즈를 포함하는 전지 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    적어도 하나의 릴레이 및/또는 퓨즈는 2개의 버스 바 연결 영역을 서로 연결하는 전지 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 고전압 인쇄 회로 기판은 상기 제2 접촉 수단과 상기 캐리어 플레이트의 제2 측면에 배치된 적어도 하나의 장착 소켓을 연결하는 복수의 데이터 라인을 더욱 포함하는 전지 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전지 차단 유닛은 상기 액체 냉각 플레이트와 상기 캐리어 플레이트 사이 및/또는 상기 캐리어 플레이트와 상기 고전압 인쇄 회로 기판 사이에 배치된 열 전도성 및 전기 절연성 열적 인터페이스 재료층을 포함하는 전지 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 전지 시스템을 포함하는 전기 자동차.
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