KR20220117837A - 전지 시스템 및 전지 시스템을 포함하는 차량 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 전지 시스템은, 복수의 전지 셀과, 상기 복수의 전지 셀의 전극 단자에 접촉되어 상기 전지 셀을 연결하는 버스 바와, 상기 복수의 전지 셀을 둘러싸는 전지 하우징, 및 열 폭주 동안 하나 이상의 전지 셀에서 배출되는 배기 부산물로부터 상기 전극 단자와 상기 버스 바가 차폐되도록 상기 전극 단자와 상기 버스 바를 커버하는 전기적 및 열적 절연 커버 부재를 포함한다.

Description

전지 시스템 및 전지 시스템을 포함하는 차량{BATTERY SYSTEM AND VEHICLE INCLUDING THE BATTERY SYSTEM}
본 개시의 측면은 전지 시스템 및 이를 포함하는 차량에 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 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.
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 자동차 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 구조에서는, 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. 자동차 애플리케이션에서 전지 시스템은 원하는 전압을 제공하기 위해 직렬로 연결된 복수의 전지 모듈로 구성되는 경우가 많다. 여기서 전지 모듈은 복수의 전지 셀이 적층된 서브 모듈로 포함할 수 있으며, 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 (바람직하게는 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.
전지 팩은 임의의 모듈 구조에도 불구하고, 통상 전지 팩을 외부 환경으로부터 밀봉하고 전지 팩의 구성 요소를 구조적으로 보호하기 위해 제공되는 봉지체(또는 인클로저)로서 역할 하는 전지 팩 하우징을 포함한다. 내장된 전지 팩은 대개 이들의 어플리케이션(예: 전기 자동차) 환경에 전체적으로 장착된다.
전지 하우징 내의 밀폐된 전지 셀의 열 제어를 제공하기 위해, 전지 하우징 내에서 생성된 열을 효율적으로 방출, 방전 및/또는 소산하기 위해 열 관리 시스템이 사용될 수 있다. 전지 셀의 특정 조건에서 내부 온도가 상승하면 전지 셀에서 비정상적인 반응이 발생할 수 있다. 비정상적인 작동 조건의 예로는 심하게 과열되거나 과충전된 셀에 의해 발생될 수 있는 전지 셀의 열 폭주를 들 수 있다. 열 폭주는 전지 셀 내부의 자체 가속 화학 반응으로, 사용 가능한 물질이 거의 모두 소진될 때까지 많은 양의 열과 배기 가스를 생성한다.
최근 전지의 배기 개념은 열 폭주 상태의 전지 셀에서 배출된 고온의 배기 가스가 전지 하우징에서 확장되어 전지 하우징의 배기 밸브를 통해 외부(예: 전지 하우징의 주위 환경)로 빠져나가도록 하는 것이다.
배출된 물질, 즉 배기 부산물에는 고온의 유독성 배기 가스 뿐만 아니라 흑연 분말 및 금속 조각과 같은 전도성 고체 물질이 포함될 수 있다. 여기서 전기 전도성 물질은 충전부라도 불리우는 전기적 활성 부품 위에 침착되어 단락 및 아크를 유발할 수 있다. 따라서 하나 전지 셀의 열 폭주는 단락을 유발할 수 있고 이에 따른 다른 전지 셀의 연속(또는 순차적) 열 폭주는 전지(예: 전지 팩), 전지 시스템 및 차량의 완전한 손상을 초래할 수 있다.
흑연 및 금속 물질로 인한 오염은 대부분의 전지 셀 또는 전지 모듈에 영향을 미칠 수 있고, 모든 전지 셀 또는 모듈이 같은 전지 하우징 내에 있기 때문에 단락을 일으킬 수 있다. 또한, 전지 하우징 배기 밸브와 관련된 열 폭주에서 전지 셀의 위치에 따라 다른 기류가 발생하여 전지의 다른 부분에도 영향을 받을 수 있다.
본 개시의 실시예는 열 폭주 시 배출되는 배기 부산물에 대한 보호가 개선된 전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 차량용 전지 시스템이 제공된다. 전지 시스템은 복수의 전지 셀 및 복수의 전지 셀을 둘러싸는 전지 하우징을 포함한다. 전지 셀은 전지 셀의 전극 단자에 접촉하는 버스 바(예: 제1 버스 바)를 통해 서로 연결된다. 각각의 버스 바는 하나의 전지 셀의 전극 단자를 이웃하는 전지 셀과 같은 다른 전지 셀의 전극 단자에 연결할 수 있다. 전지 셀은 직렬 및/또는 병렬로 서로 연결될 수 있다. 전지 모듈은 이와 같은 상호 연결에 의해 형성될 수 있다. 따라서, 복수의 전지 셀은 전극 단자 및 버스 바를 통해 서로 연결되어 전지 모듈을 형성할 수 있다. 또한, 전지 시스템은 각각 복수의 전지 셀을 포함하는 다중 전지 모듈을 포함할 수 있으며, 이웃하는 전지 모듈은 전지 셀의 전극 단자에 접촉하는 버스 바(예: 제2 버스 바)를 통해 서로 연결된다. 예를 들어 전지 셀은 버스 바에 의해 서로 전기적으로 상호 연결된 모듈을 형성하기 위해 하나 이상의 열로 배열되거나, 열 내에서, 따라서 모듈 내에서, 또는 모듈을 연결하기 위해 열을 가로질러 배열될 수 있다. 상호 연결된 셀 및/또는 모듈은 크로스 빔을 통해 서로 공간적으로 분리될 수 있다. 전지 모듈은 전술한 바와 같이 전지 팩을 형성할 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 전지 시스템은 극 단자 및 버스 바를 커버하는 전기적 및 열적 절연 커버 부재를 포함한다. 커버 부재는 열 폭주 중 하나 이상의 전지 셀에서 배출되는 배기 부산물로부터 전극 단자와 버스 바를 차폐시킨다. 예를 들어, 배기 부산물은 전지로부터 배출되어 전지 하우징의 배기 채널로 나갈 수 있다. 전지 시스템은 열 폭주 동안 복수의 전지 셀 중 하나 이상으로부터 배출되는 배기 부산물을 수용하기 위한 배기 채널을 더욱 포함할 수 있다. 배기기 채널은 커버 부재와 전지 하우징의 전지 커버 사이에 배열(또는 형성)될 수 있다. 커버 부재가 전극 단자와 버스 바를 덮기 때문에 흑연 분말과 같은 전도성 고체 물질 및 금속 조각과 같은 배기 부산물은 커버 부재에 침착되지만 충전부(예: 전극 단자 및 버스 바)에는 직접 침착되지 않는다. 커버 부재는 전기적 및 열적으로 절연되기 때문에 커버 부재 아래에 있는 충전부의 작동에는 영향이 미치지 않는다. 또한 커버 부재는 충전부와 배기 부산물 사이의 기계적 분리를 제공한다. 이에 따라 아크, 단락 및 셀 오염을 줄이거나 방지할 수 있다. 또한, 커버 부재의 열적 절연은 커버 부재에 침착된 배기 부산물의 열로부터 셀/모듈을 보호할 수 있다. 따라서 인접한 전지 셀 또는 배기 셀의 모듈로의 열 전달 및 이에 따른 연쇄 반응 열 폭주가 방지된다. 이러한 방식으로 커버 부재는 배기 부산물로부터 전극 단자와 버스 바를 보호한다. 커버 부재는 전지의 모든 충전부와 같은 전지 시스템의 추가 부재를 커버하도록 배열될 수 있으며, 그렇지 않으면 배기 부산물에 의해 영향을 받을 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 배기 부산물은 열 폭주 동안 전지 하우징 내로 여전히 배기될 수 있다. 일반적인 전지 시스템과 비교할 때 배기 부산물은 전지 셀 및 충전부에 (직접) 침착되지 않고 대신 커버 부재에 침착되므로, 충전부 또는 전지 시스템의 손상이 방지된다.
기존의 배기 개념과 비교하여, 건설적으로 보다 단순한 배기 개념이 제공된다. 관련 기술 개념은 배기 부산물이 전지 하우징에 들어가는 것을 방지하기 위해 안내 채널을 통해 전지 셀로부터 배기 부산물을 유도하는 다른 해결책을 제안한다.
일 실시예에 따르면, 커버 부재는 전극 단자 및 버스 바의 윤곽에 맞추어 구성된다. 예를 들어, 커버 부재의 윤곽(또는 형태)은 커버하는 모든 충전부의 윤곽과 같이 커버 부재가 덮는 모든 부재의 윤곽에 적응될 수 있다. 가령, 커버 부재는 전극 단자 및 버스 바와 같이 커버 부재가 덮는 부분의 3차원 형상에 대응하여 마련될 수 있다. 이러한 커버 부재와 이 커버 부재에 의해 덮힌 부분의 윤곽의 대응은 배기 부산물이 커버 부재에 의해 덮인 부분에 도달하는 것을 거의 또는 전혀 허용하지 않는다. 이로써 안정적인 차폐가 가능하다.
일 실시예에 따르면, 커버 부재는 복수의 전지 셀의 배기면을 완전히 덮는다. 배기면은 통풍측은 전극 단자와 버스 바가 제공되는 부위이다. 따라서, 커버 부재는 전극 단자 및 버스 바를 덮을 뿐만 아니라 나아가 복수의 전지 셀의 완전한 배기면, 즉 열 폭주의 경우 배기 부산물이 전지 셀을 떠나는 측면을 덮을 수 있다. 이러한 방식에서, 전극 단자와 버스 바 뿐만 아니라 전체 전지 셀은 제1 측면 상의 전지 커버와 제1 측면에 대향한 제2 측면의 커버 부재에 의해 구분되는 배기 채널로부터 분리된다. 따라서 전지 셀의 배기면을 완전히 덮는 커버 부재는 전지 셀의 오염을 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 배기면에 배치된 추가 충전부는 이러한 방식으로 덮일 수 있으며, 이에 따라 배기 부산물로부터 차폐될 수 있다. 배기 부산물은 아래에 있는 어떤 부재도 손상시키지 않고 복수의 전지 셀의 전체 표면에 침착될 수 있다. 따라서, 나머지 셀의 열 분리가 달성되어 폭주 사건의 열 전파가 방지될 수 있고 전체 전지 시스템의 소실 위험이 감소될 수 있다.
반면, 커버 부재는 복수의 전지 셀의 배기면을 완전히 덮는 경우에도 배기 개구를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 배기 개구는 전지 셀의 배기 출구와 정렬되고 전지 셀에서 배출되는 배기 부산물이 배기 개구를 통해 배기 채널로 통과할 수 있도록 구성된다. 이러한 구조를 통해 열 폭주의 경우 전지 하우징으로 전지 셀의 배기를 이룰 수 있다. 커버 부재의 배기 개구는 전지 셀의 배기 출구에 대응하는 구성을 지니고 이와 정렬될 수 있다. 예를 들어, 커버 부재의 배기 개구 및/또는 전지 셀의 배기 출구는 슬롯 형태일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 배기 개구는 커버 부재를 관통하여 연장되는 관통 홀일 수 있다. 일부 실시예에서, 커버 부재는 배기 개구 내의 배기 부산물의 압력 하에 파열되도록 구성된 배기 밸브 또는 파열 멤브레인을 더욱 포함할 수 있다. 관통 홀이 있는 커버 부재는 특히 단순한 디자인이다. 파열 멤브레인은 커버 부재와 같은 물질로 구성일 수 있는 반면, 배기가 시작되자마자 멤브레인이 파열되도록 두께가 더 얇을 수 있다. 또한, 배기 밸브는 커버 부재에 배열될 수 있고 기준(또는 미리 결정된) 압력에서 열리도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 커버 부재는 1000℃ 이상 및/또는 1200℃ 이하의 온도를 견딜 수 있다. 예를 들어, 커버 부재는 약 1000℃와 약 1200℃ 사이, 보다 좋게는 약 1100℃와 약 1200℃ 사이의 온도를 견디도록 구성될 수 있다. 따라서 커버 부재는 배기 부산물의 온도가 1000℃ 이상인 경우에도 전지 셀의 충전부를 안정적으로 보호할 수 있다. 커버 부재가 최소 1000℃의 온도를 견딜 수 없는 경우 특정 상황에서 1000℃ 이상의 온도를 가진 고온의 배기 부산물로 인해 커버 부재가 손상될 수 있다. 이에 반해 최대 약 1200℃의 온도를 견디도록 구성된 커버 부재는 배기 부산물의 온도가 일반적으로 이 온도를 초과하지 않기 때문에 충분히 견딜 수 있다.
일 실시예에 따르면, 커버 부재는 직물 및 수지와 같은 매트릭스 지지 물질의 복합 물질을 포함할 수 있다. 직물은 매트 형태일 수 있고 유리 및/또는 현무암 섬유와 같은 섬유를 포함할 수 있다. 따라서, 직물은 예를 들어 유리 섬유 매트를 포함할 수 있다. 수지일 수 있는 매트릭스 지지 물질은 배기 부산물이 배기되는 동안 커버 부재에 안정성을 제공할 수 있다. 반면, 복합 물질로 인해 커버 부재는 커버 대상의 윤곽에 따를 수 있을 만큼 충분히 유연할 수 있다. 따라서, 커버 부재는 전극 단자 및 버스 바의 윤곽에 따라 구성될 수 있다. 이러한 구조에 따라 커버 부재는 전극 단자 및 버스 바를 안정적으로 차폐시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 커버 부재는 배기 부산물에 노출될 때 용융되고 복합 물질과 결합되어 기계적으로 견고한 커버 플레이트를 형성하도록 후속적으로 경화되도록 구성된 열 반응 물질을 포함할 수 있다. 열 반응 물질은 열 폭주 동안 발생하는 온도와 같은 열의 존재에 반응하는 물질이다. 일 실시예에 따르면, 열 반응 물질은 가스 충전된 유리 과립과 같은 유리 과립을 포함한다. 유리 과립은 팽창된 유리 과립일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 커버 부재는 복합 물질의 다중층과 열 반응 물질의 하나 이상의 층이 배열된 구조를 가질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 커버 부재는 복합 물질의 적어도 2개의 층 및 열 반응 물질의 중간층을 포함한다. 실시예에 따른 커버 부재는 열 반응 물질이 녹아 직물과 결합하여 밀봉되어 배기 부산물에 반응할 수 있다. 열 반응 물질은 직물의 융점보다 낮은 융점을 갖는다. 커버 부재가 포함하는 복합 물질의 매트릭스 지지 물질은 배기 과정에서 용해될 수 있다. 반면, 커버 부재는 열 반응 물질로 인해 치수적으로 안정적이고 밀봉된 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 열 폭주 시, 수지 또는 기타 매트릭스 지지 물질을 갖는 커버 부재는 약 200℃보다 높은 온도에서 기계적 안정성을 잃을 수 있는 반면, 실시예에 따른 커버 부재는 열 반응 물질이 배기 스트림 하에 더 높은 온도 범위에서 녹아 직물을 유지할 수 있다. 이에 따라 실시예에 따른 커버 부재는 나머지 전지 셀과 충전부를 보호할 수 있도록 견고하게 밀봉된다. 용융 후 열 반응 물질은 경화되어 복합 물질과 함께 기계적으로 단단한 내열성 커버 플레이트를 형성할 수 있다. 이러한 커버 부재는 전지 시스템의 터치 보호 부재의 역할을 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상술한 바와 같은 전지 시스템을 포함하는 차량이 제공된다. 전지 시스템은 차량의 하부 구조에 통합될 수 있으며, 이로 인해 전지 시스템은 실질적으로 평평한 형상을 가질 수 있다. 열 폭주의 경우 전지 시스템의 충전부가 전기 전도성 먼지를 포함할 수 있는 배기 부산물로부터 보호된다. 이로써, 단락의 발생이 크게 감소되거나 방지될 수 있다.
본 개시의 추가 측면 및 특징은 상세한 설명, 도면, 청구범위 및 이들의 등가물로부터 실현될 수 있거나, 본 개시의 제시된 실시예 중 하나 이상을 실시함으로써 학습될 수 있다.
실시예에 따른 전지 시스템은 열 폭주 시 배출되는 배기 부산물에 대해 전극 단자 및 버스 바 등의 충전부에 대해 보호를 향상시킬 수 있다.
본 기재의 측면 및 특징들은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세하게 설명함으로써
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템을 나타내는 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전지 시스템을 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 커버 부재를 도시한 측면도이다.
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. 다른 설명이 없는 한, 첨부된 도면 및 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타내므로 중복되는 설명은 생략할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 관련된 나열된 항목 중 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명할 때 "~할 수 있다"의 사용은 "하나 이상의 본 발명의 실시 예"를 의미한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수의 표현은 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다.
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. "적어도 하나"와 같은 표현이 구성 요소의 목록 앞에 있을 때, 전체 구성요소 목록을 수식하고 목록의 개별 요소를 수식하지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 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.
본 명세서에서 "상부" 및 "하부"라는 용어는 z축에 따라 정의된다. 예를 들어, 상부 커버는 z축의 상부에 위치하고, 하부 커버는 z축의 하부에 위치한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 용어 및 과학 용어 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 용어와 같은 용어는 관련 기술의 맥락에서 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 명시적으로 정의되지 않은 이상 이상적이거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니된다.
도 1 및 도 2를 참조하여 실시예에 따른 전기 자동차용 전지 시스템(10)을 설명하도록 한다. 전지 시스템(10)은 복수의 전지 셀(12)을 포함하고, 복수의 전지 셀(12)은 일렬로 배열되어 전지 모듈(13)을 구성한다. 이웃하는(또는 인접한) 전지 모듈(13)은 크로스 빔(14)에 의해 서로 분리된다. 전지 시스템(10)은 복수의 전지 셀(12)을 둘러싸는 상부 커버(32) 및 하부 커버(34)를 포함하는 전지 하우징(30)을 포함한다. 전지 시스템(10)은 도 1의 좌측 및 우측 단부에 배치되는 사이드 커버(도시되지 않음)를 더욱 포함할 수 있다. 전지 셀(12)은 전지 셀(12)과 상부 커버(32) 사이에 빈 공간(36)이 제공되도록 전지 하우징(30) 내부에 배열된다.
각각의 전지 셀(12)은 각각의 전지 셀(12)의 전극에 연결된 2개의 전극 단자(16)를 포함한다. 전지 셀(12)은 2개의 인접한 전지 셀(12)의 전극 단자(16) 사이에 전기적 연결을 제공하는 버스 바(예: 제1 버스 바)(18)를 통해 서로 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 전지 셀(12)은 모듈(13) 내의 버스 바(18)를 통해 직렬로 서로 연결된다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 모듈(13) 및 이 모듈(13)의 전지 셀(12)은 이웃하는 모듈(13) 사이에서 연장되는 버스 바(예: 제2 버스 바)(19)를 통해 직렬로 서로 연결된다. 전극 단자(16) 및 버스 바(18, 19)는 전지 셀(12)의 배기면(15)상에 배열된다. 본 실시예에서 배기면(15)은 상부 커버(32)와 마주하는 전지 셀(12)의 상부면이다. 각각의 전지 셀(12)은 배기면(15)에 배치된 배기 출구(17)를 포함한다. 배기 출구(17)는 열 폭주 또는 열 이벤트로도 알려진 비정상적인 작동 조건 동안 생성된 배기 부산물(24)을 갖는 배기 스트림(T)이 이상이 있는 전지 셀(12) 내부의 특정 과압 및/또는 특정 온도가 초과될 경우 전지 셀(12)로부터 배출되도록 구성된다.
전지 시스템(10)은 전극 단자(16) 및 버스 바(18, 19)가 배치된 복수의 전지 셀(12)의 배기면(15)을 커버하는 전기적 및 열적 절연 커버 부재(20)를 더욱 포함한다. 커버 부재(20)는 전지 셀(12)의 배기 출구(17)와 정렬된 배기구(22)를 갖는다. 열 폭주 동안 전지 셀(12)로부터 배출된 배기 부산물(24)이 배기 출구(17) 및 배기구(22)를 통과하여 상부 커버(32)를 향해 빈 공간(36)으로 빠져 나간다. 여기서 빈 공간(36)은 배기 채널로 이해될 수 있는데 배기 부산물은 빈 공간(36)으로부터 전지 시스템(10)의 외부로 나간다. 커버 부재(20)는 도 1,2에 도시된 바와 같이, 전극 단자(16) 및 버스 바(18, 19)와 같이 커버 부재(20)가 덮는 부분의 윤곽(예: 3차원 형상)에 맞추어 구성될 수 있다. 이러한 커버 부재(20)의 커버에 의해 배기 부산물(24)로부터 커버된 구성 요소 즉, 전극 단자(16)와 버스 바(18,19)를 안정적으로 차폐시킬 수 있다.
고온이면서 유독한 배기 가스 뿐만 아니라 흑연 분말 또는 금속 조각과 같은 전도성 고체 물질을 포함할 수 있는 배기 부산물(24)은 비록 직접적이지는 않지만 복수의 전지 셀(12) 상에 적어도 부분적으로 침착될 수 있다. 즉, 전지 셀(12)은 커버 부재(20)에 의해 덮이기 때문에, 전극 단자(16) 및 버스 바(18, 19) 뿐만 아니라 배기면(15) 전체는 커버 부재(20)에 의해 배기 부산물(24)의 침착으로부터 벗어날 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 배기 부산물(24)은 전극 단자(16) 및 버스 바(18, 19)와의 어떠한 접촉도 없이 커버 부재(20) 상에 침착된다. 커버 부재(20)가 전기적 및 열적으로 절연되어 있기 때문에, 전극 단자(16), 버스 바(18, 19), 및 커버 부재(20)의 아래에 있는 임의의 추가 충전부 부품은 그 작동에 영향을 받지 않는다. 예를 들어, 배기 부산물(24)의 전도성 고체 물질로 인해 아크 또는 단락 회로가 발생하지 않는다. 따라서, 전지 하우징(30)의 커버 부재(20) 및 상부 커버(32)는 배기 부산물(24)이 전지 셀(12) 및 충전부와 접촉하지 않고 전지 출구를 향하도록 배기 부산물(24)을 안내하기 위한 배기 채널을 형성한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 커버 부재(20)는 수지를 갖는 유리 섬유 매트와 같은 매트릭스 지지 물질 및 직물을 포함하는 갖는 복합 물질의 2개 층(26), 및 열 반응 물질로서 팽창된 유리 과립을 포함하며 복합 물질의 2개 층(26) 사이에 배치되는 중간층(28)을 포함한다. 팽창된 유리 과립은 열 폭주 중에 발생한 열에 반응하여 배기 부산물(24)에 노출될 때 용융되고 이 후 복합 물질과 조합하여 기계적으로 단단한 커버 플레이트를 형성하도록 후속적으로 경화된다. 따라서, 커버 부재(20)는 중간층(28)이 용융되어 2개의 유리 매트 층(26)과 결합하여 이를 밀봉하도록 배기 부산물(24)과 반응한다. 이에 따라 열 반응 물질은 직물의 융점보다 낮은 융점을 갖는다. 수지는 배기 공정 동안 용해되어 커버 부재(20)를 보다 유연하게 만들 수 있다. 커버 부재(20)는 열 반응 물질로 인해 치수적으로 안정적이면서 밀봉된 상태로 유지되며, 고온의 배기 부산물(24)에 대해 나머지 구성 요소를 보호하기 위해 유리 섬유 매트와 함께 기계적으로 단단하고 내열성이 있는 커버 플레이트를 형성한다. 따라서, 커버 부재(20)는 전극 단자(16) 및 버스 바(18, 19)와 같은 커버 대상의 윤곽(예: 3차원 형상)에 적응된 형태를 유지할 수 있다.
커버 부재(20)는 터치 보호 부재로 작용할 수 있다. 알려진 터치 보호 부재는 전지 시스템의 정상 작동 조건에서 허용되는 최대 약 200℃의 온도를 견딜 수 있다. 그런데 열 폭주의 경우, 전지 셀(12)의 내부는 내부 압력이 배기 밸브 한계를 초과할 때까지 가열되며, 1000℃이상의 온도를 지닌 배기 스트림이 전지 셀을 빠져나와 터치 보호 부재 쪽으로 흐를 가능성이 가장 높다. 표준 터치 보호 부재로는 이러한 온도를 견딜 수 없다. 터치 보호 부재로서 운모(평판) 또는 섬유 조각으로 주조된 주물과 같이 최대 1200℃의 온도를 견딜 수 있는 물질을 사용할 수 있으나, 이러한 물질은 배기 부산물에 노출될 때 모양이 유지되지 않는다. 반면, 수지 또는 다른 매트릭스 지지 물질 및 과립을 갖는 유리 매트의 샌드위치 구조를 갖는 본 개시의 실시예들에 따른 커버 부재(20)는 위에서 설명된 바와 같이 기계적으로 안정적으로 유지, 예를 들어, 기계적 안정적인 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전지 시스템에서, 배기 가스 및 먼지는 커버 부재와 전지 커버 사이의 빈 공간 내로 안내된다. 이로 인해 잔여 셀 또는 셀 스택은 먼지 및 흑연 입자를 포함하는 배기 부산물에 의해 오염되는 것이 방지된다.
커버 부재는 먼지, 흑연 및 금속 입자를 전극 단자 및 버스 바와 같은 전지의 충전부로부터 멀리하므로 이에 따라 아크 및 단락이 방지된다. 또한, 커버 부재는 상승된 온도에서 z-방향으로 전기 절연성 및 충분한 열적 절연성을 유지한다. 또한, 커버 부재는 2개의 유리 매트 및 중간 열 반응층을 포함하는 샌드위치 구조로 형성되어 전지 팩을 위한 터치 보호 부재로 작용할 수 있다. 2개의 유리 매트는 열 폭주 동안 고온의 배기 부산물에 대해 견딜 수 있고 열 반응 물질은 유리 매트 사이에 충전재를 형성하여 화재 방지를 위해 배치된다. 용융 충전재는 유리 매트와 함께 안정적인 내열성 커버 플레이트를 형성한다. 또한 나머지 셀 스택의 열 분리가 커버 부재에 의해 제공되어 열 전파가 느려지고 전지 팩이 완전히 연소될 위험이 감소된다.
이상으로 일부 실시예가 설명되었지만, 당업자는 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 실시예에서 다양한 변형이 가능함을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 전술한 내용은 다양한 예시적인 실시예를 예시하는 것이며 본 명세서에 개시된 특정 실시예로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 개시된 실시예 및 다른 예시적인 실시예에 대한 다양한 수정은 첨부된 특허청구범위에 정의된 본 개시 내용의 사상, 범위 및 그 등가물에 포함될 수 있다.
10 전지 시스템
12 전지 셀
13 모듈
14 크로스 빔
15 배기면
16 전극 단자
17 배기 출구
18 버스 바/연결 수단
20 커버 부재
22 배기구
24 배기 부산물
26 복합 물질층
27 수지
28 중간층
30 전지 하우징
32 상부 커버
34 하부 커버
36 빈 공간

Claims (15)

  1. 복수의 전지 셀;
    상기 복수의 전지 셀의 전극 단자에 접촉되어 상기 전지 셀을 연결하는 버스 바;
    상기 복수의 전지 셀을 둘러싸는 전지 하우징; 및
    열 폭주 동안 하나 이상의 전지 셀에서 배출되는 배기 부산물로부터 상기 전극 단자와 상기 버스 바가 차폐되도록 상기 전극 단자와 상기 버스 바를 커버하는 전기적 및 열적 절연 커버 부재
    를 포함하는 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커버 부재는 상기 전극 단자 및 버스 바의 윤곽에 맞춰져 구성된 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 커버 부재는 상기 전지 셀의 배기면을 완전히 커버하고,
    상기 전극 단자 및 버스 바는 상기 배기면 상에 있는 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 커버 부재는 상기 전지 셀의 배기 출구와 정렬되는 배기구를 가지며, 상기 전지 셀에서 배출되는 배기 부산물이 상기 배기구를 통해 상기 전지 하우징의 배기 채널을 통과하도록 구성된 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배기구는 상기 커버 부재를 관통하여 연장되는 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 커버 부재는 상기 배출구 내의 배기 부산물의 압력 하에 개방되도록 구성된 배기 밸브 또는 파열 멤브레인을 포함하는 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 커버 부재는 적어도 1000℃의 온도를 견디도록 구성되는 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 커버 부재는 최대 1200℃의 온도를 견디도록 구성되는 전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 커버 부재는 직물 및 매트릭스 지지 물질을 갖는 복합 물질을 포함하는 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 직물은 유리 및/또는 현무암 섬유를 포함하는 전지 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 커버 부재는 배기 부산물에 노출될 때 용융되고 상기 복합 물질과 조합하여 기계적으로 단단한 커버 플레이트를 형성하기 위해 후속적으로 경화되도록 구성된 열 반응 물질을 더욱 포함하는 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 열 반응 물질은 상기 직물의 융점보다 낮은 융점을 갖는 전지 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 열 반응 물질은 유리 과립을 포함하는 전지 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 커버 부재는 상기 복합 물질로 구성된 복수의 층을 포함하고,
    상기 복합 물질의 층들 사이에 배치되는 중간층은 상기 열 반응 물질을 포함하는 전지 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 전지 시스템을 포함하는 차량.
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