KR20230038116A - 전지 시스템 및 전지 시스템을 포함하는 차량 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 전지 시스템은, 복수의 전지 셀, 상기 복수의 전지 셀을 둘러싸는 전지 하우징, 상기 복수의 전지 셀을 전기적으로 연결하는 연결 부재, 및 전기적 및 열적 절연 재료를 포함하고 주변 환경으로부터 상기 연결 부재를 격리하기 위한 격리 및 고정 부재를 포함한다. 상기 격리 및 고정 부재는 상기 연결 부재 및 전지 시스템의 구조물 부위에 상기 복수의 전지 셀을 지지하는 적어도 하나의 셀 캐리어 부재를 둘러싼다.

Description

전지 시스템 및 전지 시스템을 포함하는 차량{Battery system and vehicle including the battery system}
본 발명은 열 폭주 시, 배기 가스로부터 전기 전도성 부재의 전기적 및 열적 절연을 위한 보호 장치를 포함하는 전지 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이 전지 시스템을 포함하는 차량에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안, 물건과 사람들의 운송 수단은 전력을 동력원으로 사용하여 개발되고 있다. 전기 차량은 이차 전지에 저장된 에너지를 사용하여 전기 모터에 의해 추진되는 차량이다. 전기 차량은 전지로만 구동되거나 가령 가솔린 발전기에 의해 적어도 부분적으로 구동되는 하이브리드 차량일 수 있다. 또한, 전기 차량은 전기 모터와 기존 연소 엔진의 조합을 포함할 수 있다.
일반적으로 전기 차량 전지(EVB) 또는 견인 전지는 전지 전기 차량(BEV)의 추진에 사용되는 전지이다. 전기 차량 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 차량 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 집전 구조체와 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 (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.
종래 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 자동차와 같은 애플리케이션 환경에 전체적으로 장착된다.
전지 팩의 열적 제어를 제공하기 위해, 이차 전지로부터 발생된 열을 효율적으로 발산, 방출 및/또는 소산함으로써 적어도 하나의 전지 모듈을 안전하게 사용하기 위한 열 관리 시스템이 필요하다. 전지 셀의 특정 조건에서 내부 온도가 상승하면 전지 셀에서 비정상적인 반응이 발생할 수 있다. 이러한 비정상적인 작동 조건의 예로는 전지 셀의 열 폭주가 있으며, 이 열 폭주는 과도하게 과열되거나 과충전된 셀에 의해 일어날 수 있다. 열 폭주는 전지 셀 내부의 자체 가속 화학 반응으로, 사용 가능한 모든 물질이 소진될 때까지 다량의 열과 배기 가스를 생성한다.
전지의 최신 배기 개념은 열 폭주 상태에 있는 전지 셀의 고온 배기 가스가 전지 하우징으로 팽창하여 하우징 배기 밸브를 통해 외부 즉, 전지 하우징의 외부 환경으로 빠져나가도록 하는 것이다. 배기 물질(예: 배기 부산물)은 예를 들어 흑연 분말 및 금속 조각과 같은 전도성 고형물은 물론 고온이면서 독성이 있는 배기 가스를 포함할 수 있다. 여기서 전기 전도성 물질은 충전부라도 불리우는 전기적 활성 부품 위에 침착되어 단락 및 아크를 유발할 수 있다. 따라서 하나의 전지 셀 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.
모든 전지 셀 또는 모듈이 동일한 전지 하우징 내에 있기 때문에 흑연 및 금속 부품으로 인한 오염은 대부분의 전지 셀 또는 전지 모듈에 영향을 미칠 수 있으며 나아가 단락을 일으킬 수 있다. 하우징 배기 밸브와 관련하여 열 폭주에서 전지 셀의 위치에 따라 다른 공기 흐름이 발생하여 전지의 여러 부분이 영향을 받을 수 있다. 전지 팩에 전지 셀을 장착하는 기술에 있어, 금속 가령, 알루미늄 또는 스틸의 고정 수단을 사용하는 것은 열 폭주 이벤트 동안 자체적으로 전지 셀의 일부 또는 전체를 단락시킬 수 있을 뿐더러, 전지 시스템의 급격한 연소를 초래할 수 있다.
이를 극복하기 위해, 전기 아크가 발생할 수 있는 개구를 포함하는 금속 고정 수단을 부분 커버 또는 코팅하는 할 수 있으나, 이를 위한 재료는 열 폭주 시, 발생된 고온의 열을 견디기 어렵다. 오늘날, 전지 팩을 구성 시, 충전부와 섀시 사이에 필요한 고온 절연은 높은 비용으로 인해 거의 사용되지 않고 있는 실정이다. 반면, 버스 바 및 전기적 연결부의 절연은 저가의 저온 내성 플라스틱을 적용하고 있다. 이러한 환경에서는 열 폭주 이벤트 시, 전지 셀 및 전기적 연결부의 변위로 인해 단락이 발행할 수 있고, 전지 셀, 전지 모듈 또는 인접한 전지 모듈 사이에 배열된 크로스 빔(crossbeam)을 포함하는 전지 부품의 일부가 손상될 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 극복하기 위해 열 폭주 시 대처를 개선할 수 있고 더욱이, 열 폭주 시 배출되는 배기 부산물으로부터 보호 기능을 강화시킬 수 있는 전지 시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 전지 셀 및 복수의 전지 셀을 둘러싸는 전지 하우징을 포함하는 전지 시스템이 제공된다. 복수의 전지 셀은 전지 셀의 셀 단자와 접촉하는 전기적 연결 부재를 통해 서로 연결될 수 있다. 전기적 연결 부재는 하나의 전지 셀의 셀 단자를 다른 전지 셀, 특히 이웃하는 전지 셀의 셀 단자에 연결할 수 있다. 복수의 전지 셀은 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 상호 연결에 의해 전지 모듈이 형성될 수 있다. 이와 같이 복수의 전지 셀은 전지 모듈을 형성하기 위해 각각의 셀 단자에 전기적으로 연결되는 연결 부재를 통해 서로 연결될 수 있다. 또한, 전지 시스템은 각각 복수의 전지 셀을 포함하는 복수의 전지 모듈을 포함할 수 있다. 여기서 이웃하는 전지 모듈은 전지 셀의 셀 단자에 접촉하는 연결 부재를 통해 서로 연결될 수 있다. 다시 말해서, 복수의 전지 셀은 전기적 연결 부재에 의해 서로 전기적으로 연결된 전지 모듈을 형성하기 위해 하나 이상의 열로 배열될 수 있으며, 열 내에서 즉, 모듈 내에서, 또는 모듈들을 연결할 수 있도록 열을 가로지르는 연결 부재에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 상호 연결된 전지 셀 및/또는 전지 모듈은 구조적 부재, 특히 크로스 빔을 통해 서로 공간적으로 분리될 수 있다. 전지 셀 및/또는 전지 모듈을 상호 연결하는 전기적 연결 부재는 예를 들어, 버스바로 구성될 수 있다. 이러한 전지 모듈은 전지 팩을 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전지 시스템은 전기적 및 열적 절연 재료로 구성되며, 주변 환경으로부터 상기한 전기적 연결 부재를 격리하기 위한 격리 및 고정 부재를 포함한다. 이 격리 및 고정 부재는 연결 부재 및 전지 시스템의 구조물 부위에 복수의 전지 셀을 지지하도록 하는 적어도 하나의 셀 캐리어 부재를 둘러싸도록 구성된다. 전지 시스템의 구조물 부위는 예를 들어 전지 하우징의 측벽일 수 있다.
본 발명에 따른 격리 및 고정 부재는 내열성 및 전기적 격리 물질, 가령 직조 직물 및 매트릭스 지지 물질을 포함하는 내열성 화합물(예: 유리 섬유 또는 이와 동등한 것 및 수지)로 이루어질 수 있다. 적어도 하나의 셀 캐리어 부재는 전지 시스템의 구조적 부재로서 전지 하우징에서 전지 셀을 지지할 수 있다. 적어도 하나의 셀 캐리어 부재는 전지 셀의 일 표면 위로 연장될 수 있다. 셀 캐리어 부재는 금속, 가령 알루미늄 또는 스틸로 이루어진 고정 수단일 수 있다.
본 발명에 따르면, 격리 및 고정 부재는 단순히 전기적 연결 부재를 덮는 것이 아니라 연결 부재를 봉지하도록 이를 둘러싼다. 더욱이, 격리 및 고정 부재는 셀 캐리어 부재를 둘러싼다. 격리 및 고정 부재는 전지 셀의 표면 또는 배기 측면에 배치되어 전기적 연결 부재 및 셀 캐리어 요소 모두를 둘러쌀 수도 있다. 격리 및 고정 부재는 전지 셀의 표면 또는 배기 측면에서 전지 셀을 덮을 수 있고, 전지 셀의 표면 또는 배치 측면을 전체적으로 덮는 것이 좋다. 또한, 격리 및 고정 부재 전지 셀 및/또는 전지 모듈 사이의 크로스 빔을 덮을 수도 있다. 격리 및 고정 부재가 전기적 연결 부재와 셀 캐리어 부재를 둘러싸는 것은 격리 및 고정 요소에 전기적 연결 부재와 셀 캐리어 부재가 수용되는 것을 의미한다. 가령, 격리 및 고정 부재는 전기적 연결 부재 및 셀 캐리어 부재의 2개의 대향하는 측면, 즉 전지 셀의 표면 또는 배기 측면을 마주하는 측면 및 대향하는 측면을 따라 연장될 수 있다. 이 때, 격리 및 고정 부재는 전지 셀의 셀 단자와의 접촉을 가능하게 하면서 전기적 연결 부재 및 셀 캐리어 부재의 4면 또는 심지어 6면 모두를 둘러쌀 수 있다. 격리 및 고정 부재는 전기적 연결 부재와 직접 접촉할 수 있으며, 전기적 연결 부재의 윤곽에 맞게 조정되어 구성되는 것이 좋다. 또한, 셀 캐리어 부재 및 전기적 연결 부재는 격리 및 고정 부재에 라미네이트될 수 있다.
또한, 격리 및 고정 부재는 셀 캐리어 요소에 대한 셀 스택의 기계적 고정 역할을 한다. 이점에서 격리 및 고정 부재는 하중 지지 부재이다. 언급된 바와 같이, 격리 및 고정 부재는 직물 및 매트릭스 지지 재료를 포함하는 내열성 화합물로 구성될 수 있다. 이러한 화합물은 적어도 경화된 상태에서 셀 캐리어 부재에 대해 전지 스택을 기계적으로 고정시킬 수 있다. 격리 및 고정 부재는 스크류, 볼트 또는 등가물과 같은 고정 수단을 사용하여 셀 캐리어 부재에 고정될 수 있다. 더욱이 격리 및 고정 부재는 이러한 고정 수단에 의해 크로스 빔에 고정될 수 있다. 이에 따라 격리 및 고정 부재는 전지 셀의 수직한 z-방향에서 전지 셀의 기계적 홀더로서 작용할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 격리 및 고정 부재는 한편으로 전기적 연결 부재 및 셀 캐리어 부재를 위한 전기적 및 열적 절연을 제공하고, 다른 한편으로는 전지 스택의 기계적 고정을 제공할 수 있는 이중 기능을 수행할 수 있다. 격리 및 고정 부재는 전기적 연결 부재를 덮을 뿐만 아니라 이를 둘러싸기 때문에 보다 안정적인 절연을 제공할 수 있다. 또한 격리 및 고정 부재는 셀 캐리어 부재는 물론 금속성 고정 수단을 둘러싸므로, 셀 캐리어 부재는 열 폭주 이벤트 동안 더 이상 전지의 일부 또는 전체를 단락시킬 수 없다. 이에 따라 전지 시스템의 급격한 손실이 방지될 수 있다. 또한, 격리 및 고정 부재는 전제 셀을 고정하거나 지지하도록 셀 캐리어 부재를 둘러싼다. 이로 인해 셀 스택의 안정적인 고정이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 격리 및 고정 부재는 전지 셀의 일 표면을 마주하는 전기적 연결 부재의 제1 측면 및 이 제1 측면을 대향하는 전기적 연결 부재의 제2 측면을 따라 연장되어 적어도 2개의 대향 측면에서 전기적 연결 부재를 둘러 쌀 수 있다. 따라서, 격리 및 고정 부재는 전지 셀의 일 표면을 마주하는 셀 캐리어 부재의 제1 측면 및 이 제1 측면에 대향하는 셀 캐리어 부재의 제2 측면을 따라 연장되어 적어도 2개의 대향 측면에서 셀 캐리어 부재를 둘러쌀 수 있다. 다시 말해서, 격리 및 고정 요소는 전기적 연결 부재/셀 캐리어 부재와 전지 셀의 표면 또는 배치 측면 사이에서 부분적으로, 그리고 전기적 연결 부재/셀 캐리어 부재의 대향 측면 즉, 전지 셀의 표면 또는 배기 측면의 대향 측면을 따라 부분적으로 연장된다. 이와 같이, 격리 및 고정 부재 및/또는 셀 캐리어 부재는 상기한 방식으로 2개의 대향 측면으로부터 전기적 연결 부재를 둘러쌀 수 있다. 이를 통해 안전한 고정 및 격리가 가능해질 수 있다.
격리 및 고정 부재는 별개의 층 플레이트 또는 하나의 통합 구성 부재일 수 있는 다중 층을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 격리 및 고정 부재는 하부층 및 상부층을 포함한다. 여기서 전기적 연결 부재 및 적어도 하나의 셀 캐리어 부재는 하부층 및 상부층에 의해 둘러싸인다. 본 발명 실시예에 따르면, 전기적 연결 부재 및 적어도 하나의 셀 캐리어 부재를 수용하는 중간 절연층이 상부층과 하부층 사이의 중간층으로서 배열된다. 이에 따라 전기적 연결 부재 및 셀 캐리어 부재는 중간층의 일부로 간주될 수 있고 중간층의 위와 아래에서 상부층과 하부층은 전기적 연결 부재 및 셀 캐리어 부재와 직접 접촉하는 것이 가능해진다. 이를 통해 안전한 고정 및 격리가 가능해질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 셀 캐리어 부재는 셀 홀더 스트립, 예를 들어 금속 스트립으로 이루어질 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 셀 캐리어 부재는 전지 셀을 전지 하우징에 고정시키는 역할을 한다. 따라서, 셀 홀더 스트립은 가령 전지 하우징에 고정되고 전지 셀의 표면 또는 배기 측면 위로 연장되면서 전지 셀을 전지 하우징에 고정할 수 있다. 전지 홀더 스트립은 일례로 전지 셀의 표면 또는 배치 측면의 전체 폭을 따라, 전지 하우징의 일측으로부터 이 일측에 대향하는 전지 하우징의 반대측으로 연장되어 전지 하우징의 양측에 연결될 수 있다. 이와 같은 종류의 여러 스트립은 안전한 고정을 위해 제공될 수 있다. 격리 및 고정 요소는 전지 셀의 표면 또는 배기 측면을 따라 연장되는 이러한 셀 홀더 스트립의 다수를 둘러쌀 수 있다. 이를 통해 전지 셀의 안전한 고정 및 셀 캐리어 부재로부터 신뢰성 있는 전지 셀의 격리가 가능해질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 격리 및 고정 부재는 전지 셀의 일 표면 또는 배기 측면을 전체적으로 덮을 수 있다. 다시 말해서, 격리 및 고정 부재는 모든 전지 셀을 덮도록 전지 셀의 전체 표면 또는 배기 측면에 걸쳐 연장될 수 있다. 이와 관련하여, 격리 및 고정 부재는 전지 셀의 표면 또는 배기 측면에서 모든 전기적 연결 부재 및 셀 캐리어 부재를 둘러쌀 수 있다. 따라서, 격리 및 고정 부재는 전기적 연결 부재를 보호할 수 있을 뿐더러, 열 폭주의 경우 배기 부산물이 전지 셀로부터 배출되는 측면인 복수의 전지 셀의 전체 표면 또는 배 측면을 보호할 수 있다. 이로 인해 전지 셀의 표면 또는 배기 측면을 전체적으로 덮는 격리 및 고정 부재는 전지 셀의 오염을 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 전지 셀의 표면이나 배기 측면에 배치된 추가 충전부 예를 들어, 전지 셀의 셀 단자는 실시예에 따른 격리 및 고정 부재에 의해 배기 부산물로부터 보호될 수 있다. 이에 배기 부산물은 전지 셀이나 충전부 등의 어떠한 부재도 손상시키지 않고 전지 셀의 표면에 침착될 수 있다. 따라서, 나머지 전지(예: 정상적인 전지)와의 열적 분리가 가능해져 열 폭주로 인한 열 전파가 방지될 수 있고 나아가 전체 전지 시스템의 손실 위험이 감소될 수 있다. 이처럼 전지 셀과 충전부는 배출 가스 및 이와 더불어 운반되는 입자로부터 효과적이고 완전하게 보호될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 격리 및 고정 부재는 전지 셀의 배기 출구와 정렬되는 배출 수단을 포함할 수 있으며, 전지 셀로부터 배출되는 배기 부산물이 배출 수단을 통해 전지 하우징의 배기 채널 내로 통과할 수 있도록 구성될 수 있다. 실시예에 따른 전지 시스템에 따르면, 배출 수단은 격리 및 고정 부재를 통해 연장되는 관통 구멍, 배기 밸브, 배기 부산물의 압력 하에 파열되는 파열 멤브레인 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 격리 및 고정 부재의 배출 수단은 전지 셀의 배기 출구에 상응하도록 형성되어 이와 정렬될 수 있다. 이러한 배출 수단을 통해 배기 부산물은 격리 및 고정 부재가 전지 셀의 배기 측면을 전체적으로 덮더라도 격리 및 고정부재를 우회하여 전지 셀의 표면 또는 배기 측면으로부터 전지 셀을 벗어날 수 있다. 배기 부산물은 봉지된 전기적 연결 부재 및/또는 셀 캐리어 부재에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 격리 및 고정 부재에 침착될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 격리 및 고정 부재는 800℃ 이상, 좋게는 1000℃ 이상, 및/또는 1200℃ 이하의 온도를 견딜 수 있다. 더욱이, 격리 및 고정 부재는 1000℃와 1200℃ 사이, 좋게는 1100℃와 1200℃ 사이의 온도를 견디도록 구성될 수 있다. 이에 따라서 격리 및 고정 부재는 1000℃ 이상의 배기 부산물의 온도에서도 전지 셀의 충전부를 안정적으로 보호할 수 있다. 격리 및 고정 부재가 최소 1000℃의 온도를 견딜 수 없는 경우 특정 상황에서 격리 및 고정 요소는 온도가 1000℃ 이상일 수 있는 고온의 배기 부산물에 의해 손상될 수도 있다. 그러나 실시예에 따른 격리 및 고정 부재는 최대 1200℃°의 온도를 견딜 수 있으며, 일반적으로 배기 부산물의 온도가 이를 초과하지 않기 때문에 충분히 손상되지 않을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 격리 및 고정 부재는 직물 및 매트릭스 지지 재료, 가령 수지를 갖는 복합 재료를 포함한다. 직조 직물은 매트 형태일 수 있고 섬유, 가령 유리 및/또는 현무암 섬유를 포함할 수 있다. 직조 직물은 예를 들어 유리 섬유 매트를 포함할 수 있다. 수지일 수 있는 매트릭스 지지 재료는 하중 지지 역할을 수행하는 격리 및 고정 부재에 안정성을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 바와 같은 전지 시스템을 포함하는 차량이 제공된다. 본 발명에 따른 전지 시스템은 실질적으로 평평한 형상을 갖는 차량의 하부 구조에 통합될 수 있다. 본 발명에 따른 차량을 사용하는 사용자는 열 폭주의 경우 전기 전도성 먼지를 포함할 수 있는 배기 부산물로부터 전지 시스템의 충전부가 손상되어 발생될 수 있는 단락을 크게 감소 또는 방지되므로, 향상된 차량 사용 안정성을 제공받을 수 있다.
실시예에 따른 전지 시스템은, 열 폭주 시 전지 셀로부터 배출되는 배기 부산물으로부터 보호 기능을 강화시킬 수 있다.
본 기재의 특징들은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세하게 설명함으로써 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전지 시스템을 도시한 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 절단선 A-A선을 따라 도시한 도 1의 전지 시스템의 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 효과 및 특징, 그리고 그 구현 방법을 설명한다. 도면에서 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 나타내며 중복되는 설명은 생략될 수 있다. 더 나은 가독성을 위해 도면의 모든 구성 요소에 참조 부호가 표시되지 않을 수 있다. 특히 중복 요소의 경우 일부 요소에만 참조 부호가 부여될 수 있다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명되는 실시예에만 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시가 철저하고 완전하고 본 개시의 측면 및 특징을 당업자에게 완전히 전달할 수 있도록 예로서 제공된다.
따라서, 본 개시 내용의 측면 및 특징의 완전한 이해를 위해 당업자에게 필요하지 않은 프로세스, 요소 및 기술은 설명되지 않을 수 있다. 별도의 언급이 없는 한, 동일한 인용 부호는 첨부된 도면 및 기재 설명 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소를 나타내므로 그 설명은 반복되지 않을 수 있다. 도면에서, 요소, 층 및 영역의 상대적 크기는 명확성을 위해 과장 및/또는 단순화될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 관련 열거된 항목의 임의 및 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예를 기술할 때 "할 수 있다"를 사용하는 것은 "본 발명의 하나 이상의 실시예"를 의미한다. 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 단수형의 용어는 문맥상 달리 명시되지 않는 한 복수형을 포함할 수 있다.
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. 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. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 관련 열거된 항목의 임의 및 모든 조합을 포함한다. "적어도 하나의"과 같은 표현은 요소 목록 앞에 올 때 전체 요소 목록을 수정하고 목록의 개별 요소를 수정하지 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.
용어 "상단(상부)" 및 하단(하부)"이라는 용어는 z축에 따라 정의될 수 있다. 예를 들어, 상부 커버는 z축의 상부에 위치하고, 하부 커버는 z축의 하부에 위치하는 것으로 기재될 수 있다. 도면에서, 구성 요소들의 크기는 명확성을 위해 과장되게 표현될 수 있다. 예를 들어, 도면에서 각 구성 요소의 크기 또는 두께는 예시를 위해 임의로 도시된 것일 수 있으므로, 본 발명의 실시예가 이로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 단수형의 용어는 문맥상 명백하게 달리 명시되지 않는 한 복수형을 포함할 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 용어 및 과학 용어 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어와 같은, 용어는 관련 기술 및/또는 본 명세서의 맥락에서 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 이상적이거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되어서는 안 되는 것으로 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량용 전지 시스템(10)을 도시한 측면도이고 도 2은 도 1의 절단선 A-A 를 따라 도시한 도면이다. 실시예에 따른 전지 시스템(10)은 일렬로 배열되고 전지 모듈을 형성하는 복수의 전지 셀(12)을 포함한다. 인접한 전지 셀(12)은 크로스 빔(14)에 의해 서로 분리된다. 전지 시스템(10)은 복수의 전지 셀(12)을 둘러싸는 전지 하우징(30)을 더욱 포함하는 바, 전지 하우징(30)은 상부 커버(32) 및 하부 커버(또는 바닥 커버)(34)를 포함한다. 전지 셀(12)은 하부 커버(34)의 상부에 배열될 수 있다. 또한 전지 셀(12)은 하부 커버(34)를 형성할 수 있는 냉각 플레이트(40) 상에 배열될 수 있다. 본 실시예에는 하부 커버(34) 상에 냉각 플레이트(40)가 배치되고 이 냉각 플레이트(40) 상에 전지 셀(12)이 배치되는 경우이다. 또한, 전지 하우징(30)은 도면에 도시되지는 않았지만, 좌측 및 우측 측면 커버를 포함할 수 있다. 전지 셀(12)은 전지 셀(12)과 상부 커버(32) 사이에 배기 가스가 빠져나갈 수 있는 빈 공간(36)이 제공되도록 전지 하우징(30) 내부에 배열된다.
전지 셀(12)은 셀 단자(16)를 포함한다. 이웃한 전지 셀(12)은 각 셀 단자(16)에 연결되는 전기 연결 부재인 버스바(18)를 통해 상호 연결된다. 이로써 2개의 인접한 전지 셀(12)의 셀 단자(16) 사이에 전기적 연결이 형성될 수 있다. 또한, 전지 셀에 의해 구성되는 전지 모듈은 이웃하는 모듈 사이에 연장되는 모듈용 버스바를 통해 직렬로 서로 연결될 수 있다. 셀 단자(16) 및 버스바(18)는 상부 커버(32)를 향하는 전지 셀(12)의 상부 표면(또는 배기 측면)(15)에 배열된다. 각각의 전지 셀(12)은 열 폭주 이벤트로도 알려진 비정상적인 작동 조건, 즉 문제가 생긴 전지 셀(12)의 내부 압력 및/또는 온도가 특정 과압 및/또는 특정 온도로 초과되어 생성된 부산물이 전지 셀(12)로부터 빈 공간(36)으로 방출될 수 있도록 하기 위해 상부 표면(배기 측면)에 제공되는 배기 출구(미도시)를 포함한다.
전지 시스템(10)은 셀 캐리어 부재로서 셀 홀더 스트립(cell holder strip)(22)을 더욱 포함한다. 본 실시예에서 셀 홀더 스트립(22)은 하우징(30)의 측벽(38)으로부터 연장되어 하나 이상의 전지 셀의 배기 측면(15) 위로, 보다 구체적으로는 크로스 빔(14) 바로 위에 배치될 수 있다. 이러한 셀 홀더 스트립(22)은 금속성을 가질 수 있다. 셀 홀더 스트립(22)은 전지 셀(12)을 전지 하우징(30)에 고정하는 역할을 한다. 이에 셀 홀더 스트립(22)은 측벽(38)에 견고히 고정될 수 있다.
또한, 전지 시스템(10)은 버스바(18) 및 셀 홀더 스트립(22)을 둘러싸는 격리 및 고정 부재(20)를 더욱 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 격리 및 고정 부재(20)는 상부층(20a), 하부층(20b) 및 중간층(20c)을 포함한다. 여기서 중간층(20c)은 버스바(18) 및 적어도 하나의 셀 캐리어 부재(22)를 수용하는 중간 격리층으로서 구성될 수 있다. 또한, 상부층(20a) 및 하부층(20b)은 조립의 용이성을 위해 개별 부품으로 구비될 수 있다. 버스바(18)와 셀 홀더 스트립(22) 양자는 이러한 격리 및 고정 부재(20)의 층 구조에 의해 둘러싸인다. 격리 및 고정 부재(20)는 FR4 또는 등가물과 유사한 수지를 갖는 유리 매트로 이루어질 수 있다. 격리 및 고정 부재(20)로 인해 버스바(18)의 전기적 및 열적 격리 뿐만 아니라 셀 홀더 스트립(22)이 연결된 전지 하우징에 대한 셀 스택의 기계적 고정에 제공될 수 있다.
격리 및 고정 부재(20)는 스크류 또는 볼트(24)를 통해 셀 홀더 스트립(22)에 밀착 결합되어 z-방향으로 전지 셀의 기계적 홀더로서 작용한다. 격리 및 고정 부재(20)의 재료는 1000℃의 온도까지 전기적 격리를 가능하게 하므로, 이에 따라 열 폭주 이벤트 동안 전지 시스템 부품의 아킹 또는 단락이 방지될 수 있다. 본 실시예에 따라 격리 및 고정 부재(20)는 관련 전기 전도 부품, 즉 버스바(18)를 둘러싸므로, 이로 인해 열 폭주 이벤트 시, 흑연 증착이 발생하는 경우에도 인접한 셀 사이의 아크를 방지하기에 충분한 거리가 보장될 수 있다.
격리 및 고정 부재로 인해 전기 연결 수단 및 캐리어 부재는 열 폭주 시, 벤팅 측에서 전지 셀 중 하나 이상으로 배출되는 부산물로부터 보호될 수 있다. 즉, 격리 및 고정 부재는 열 폭주가 발생하는 동안 전지 셀로부터 배출되는 먼지, 흑연 및 금속 부산물을 전지 셀의 충전부로부터 멀리 떨어지게 하여 아크가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 더욱이 격리 및 고정 부재는 전지 시스템의 기계적 구조에 대한 전기적 연결의 절연을 보장하도록 한다. 또한 인접한 셀 스택 사이가 크로스 빔으로 커버됨에 따라 스택 사이에 열적 분리가 제공되는 바, 이로 인해 열 폭주 시, 열 전파를 늦추어 전체 전지 팩이 파손될 위험을 줄일 수 있다. 격리 및 고정 부재의 전기 절연이 1000℃ 고온까지 제공되므로, 이에 따라 열 폭주 시 안정성이 제공될 수 있다.
또한, 격리 및 고정 부재는 캐리어 요소 및 나아가 전지 하우징에 대한 전지 셀의 기계적 고정을 제공할 수 있다. 이에 따라 격리 및 고정 부재는 하중 지지 부재로서 작용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 격리 및 고정 부재는 직물 및 매트릭스 지지 재료를 포함하는 내열성 화합물로 구성될 수 있다. 이러한 화합물은 캐리어 부재에 대한 전지 스택의 기계적 고정을 가능하게 한다. 이에 따라 격리 및 고정 부재는 원치 않는 움직임에 대해 전지 셀을 보호하는 즉, 수직 z-방향으로 전지 셀의 기계적 홀더 역할을 수행할 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.
10 전지 시스템
12 전지 셀
14 크로스 빔
15 배기 측면
16 셀 단자
18 버스바/연결 부재
20 격리 및 고정 부재
20a 상부층
20b 하부층
20c 중간층
22 셀 홀더 스트립
24 볼트/스크류
30 전지 하우징
32 상부 커버
34 하부 커버
36 빈 공간
38 측벽
40 냉각 플레이트

Claims (13)

  1. 복수의 전지 셀;
    상기 복수의 전지 셀을 둘러싸는 전지 하우징;
    상기 복수의 전지 셀을 전기적으로 연결하는 연결 부재; 및
    전기적 및 열적 절연 재료를 포함하고 주변 환경으로부터 상기 연결 부재를 격리하기 위한 격리 및 고정 부재
    를 포함하며,
    상기 격리 및 고정 부재는 상기 연결 부재 및 전지 시스템의 구조물 부위에 상기 복수의 전지 셀을 지지하는 적어도 하나의 셀 캐리어 부재를 둘러싸는, 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 격리 및 고정 부재는 상기 복수의 전지 셀 각각의 일 표면을 마주하는 상기 연결 부재의 제1 측면 및 상기 제1 측면을 대향하는 상기 연결 부재의 제2 측면을 따라 연장되어 적어도 2개의 대향 측면에서 상기 연결 부재를 둘러 싸는, 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 격리 및 고정 부재는 상기 복수의 전지 셀 각각의 일 표면을 마주하는 상기 셀 캐리어 부재의 제1 측면 및 상기 제1 측면을 대향하는 상기 셀 캐리어 부재의 제2 측면을 따라 연장되어 적어도 2개의 대향 측면에서 상기 셀 캐리어 부재를 둘러싸는, 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 격리 및 고정 부재는 하부층 및 상부층을 포함하고, 상기 연결 부재 및 상기 적어도 하나의 셀 캐리어 부재는 상기 하부층과 상기 상부층에 의해 둘러싸인, 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상부층과 상기 하부층 사이에 상기 연결 부재 및 상기 적어도 하나의 셀 캐리어 부재를 수용하는 중간 분리층이 중간층으로서 배치되는, 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 셀 캐리어 부재는 셀 홀더 스트립인 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 격리 및 고정 부재는 상기 복수의 전지 셀 각각의 일 표면을 전체적으로 덮는 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 격리 및 고정 부재는 상기 복수의 전지 셀의 배기 출구와 정렬된 배출 수단을 포함하고 상기 복수의 전지 셀로부터 배출되는 배기 부산물이 상기 배출 수단을 통해 상기 전지 하우징의 배기 채널로 들어갈 수 있도록 구성된 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배출 수단은 상기 격리 및 고정 부재를 통해 연장되는 관통 구멍, 배기 밸브, 배기 부산물의 압력 하에 파열되는 파열 멤브레인 중 어느 하나를 포함하는 전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 격리 및 고정 부재는 800℃ 이상 1200℃ 이하의 온도를 견딜 수 있는 전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 격리 및 고정 부재는 직조 직물 및 매트릭스 지지 재료를 갖는 복합 재료를 포함하는 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 직조 직물이 유리 및/또는 현무암 섬유를 포함하는 전지 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 전지 시스템을 포함하는 전기 차량.
KR1020220113680A 2021-09-10 2022-09-07 전지 시스템 및 전지 시스템을 포함하는 차량 KR20230038116A (ko)

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