KR20230091813A - 전지 셀 및 전지 시스템 - Google Patents

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안드레 고루브코브
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

실시예에 따른 전지 셀은, 전기 자동차용 전지 셀에 있어서, 셀 하우징과, 상기 셀 하우징에 수용되는 전기 화학 셀, 및 상기 셀 하우징의 외부의 과압이 있는 경우 전지 시스템의 추가 전지 셀로부터 상기 전지 셀을 전기적으로 분리하도록 구성된 셀 분리 장치를 포함한다.

Description

전지 셀 및 전지 시스템{BATTERY CELL AND BATTER SYSTEM}
본 발명은 전기 자동차용 전지 셀 및 이를 포함하는 전지 시스템에 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 차량 전지(EVB) 또는 견인(트랙션) 전지는 전지 전기 차량(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 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 집전체 구조와 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 (일반적으로 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 시스템은 이차 전지 셀, 전지 모듈 및 전지 팩을 관리하는 전자 시스템인 전지 관리(또는 제어) 시스템(Battery Management System, BMS, 이하 BMS라 함)을 포함한다. BMS는 전지 셀이 안전한 작동 영역 밖에서 작동하지 않도록 보호하고, 전지 셀의 상태를 모니터링하며, 2차 데이터를 계산하여 해당 데이터를 보고하고, 이의 환경을 제어하며, 인증 및/또는 균형을 유지하는 등의 작업을 수행한다. 예를 들어, BMS는 전압(예: 전지 팩 또는 전지 모듈의 총 전압, 개별 셀의 전압), 온도(예: 전지 팩 도는 전지 모듈의 평균 온도, 냉매 흡입 온도, 냉매 출력 온도, 또는 개별 셀의 온도), 냉매 흐름(예: 유량, 냉각액 압력 등) 및 전류의 표시로서, 전지 팩, 전지 모듈 또는 전지 셀의 상태를 모니터링할 수 있다. 또한 BMS는 전지 셀의 충전 수준, 열화 상태(SoH; 전지 셀의 초기 용량(%) 대비 잔존 용량을 정의), 전력 상태(SoP; 현재 전력 사용량, 온도 및 기타 조건을 고려하여 정의된 시간 간격 동안 가용 전력량), 안정 상태(SoS), 충전 전류 제한(CCL)으로서 최대 충전 전류, 방전 전류 제한(DCL)으로서 최대 방전 전류 및 (개방 회로 전압을 결정하기 위한) 전지 셀의 내부 임피던스를 나타내기 위해, 최소 및 최대 셀 전압, 충전 상태(SoC) 또는 방전 깊이(DoD)와 같은 항목을 기반으로 값을 계산할 수 있다.
BMS는 단일 컨트롤러가 다수의 전선을 통해 다수의 전지 셀에 연결되는 중앙 집중식으로 구성될 수 있다. 또한, BMS는 분산 방식으로 구성될 수 있는데, 이 경우, BMS 보드가 전지 셀과 컨트롤러 사이에 배치되는 단일 통신 케이블만을 통해 각 셀에 설치된다. 다른 경우, BMS는 컨트롤러 간의 통신과 더불어 특정 수의 전지 셀을 처리하는 몇 개의 컨트롤러를 포함하는 모듈식으로 구성될 수 있다. 여기서 중앙 집중식 BMS는 가장 경제적이고 확장성이 가장 낮은 반면, 많은 전선의 사용으로 인해 구성의 복잡성이 있다. 반면, 분산식 BMS는 설치가 간단하고 가장 간결한 어셈블리를 제공할 수 있으나, 비용 측면에서 불리하다. 이에 반해 모듈식 BMS는 다른 2가지 방식의 기능과 문제의 절충안을 제공할 수 있다.
BMS는 전지 팩이 안전한 작동 영역 밖에서 작동하지 않도록 보호할 수 있다. 안전 작동 영역 외의 동작은, 과전류, 과전압(충전 중), 과열, 저온도, 과압, 지락 또는 누설전류 감지 시, 표시될 수 있다. BMS는 전지 셀이 안전 작동 영역 밖에서 작동되면 열리는 내부 스위치(예: 릴레이 또는 무접점 장치)를 포함할 수 있다. BMS는 전지 셀과 연결된 장치(예: 전술한 내부 스위치)를 작동하여 전지 셀의 사용을 줄이거나 심지어 중단하도록 하고, 히터, 팬, 에어컨 또는 액체 냉각과 같은 환경을 능동적으로 제어하여 전지 셀이 안전 작동 영역 밖에서 작동하는 것을 방지할 수 있다.
전지 시스템에 연결된 다양한 전기 소비자의 동적 전력 요구를 충족시키기 위해, 전지 전력 출력 및 충전의 정적 제어는 충분하지 않다. 따라서, 전지 시스템과 전기 소비자의 컨트롤러 사이에 정보의 꾸준한 교환이 요구된다. 이 정보에는 전지 시스템의 실제 충전 상태(SoC), 잠재적 전기 성능, 충전 기능 및 내부 저항은 물론 소비자의 실제 또는 예측된 전력 수요 또는 잉여가 포함된다. 따라서 전지 시스템은 시스템 수준에서 이러한 정보를 획득 및 처리하기 위한 BMS 및 시스템 전지 모듈의 일부인 전지 관리 모듈(Battery Management Module, BMM, 이하 BMM이라 함)이라고도 불리우는 복수의 전지 모듈 관리자를 포함할 수 있다. 전지 관리 모듈은 모듈 수준에서 관련 정보를 얻고 처리한다. BMS는 일반적으로 시스템 전압, 시스템 전류, 시스템 하우징 내부 여러 위치의 국부 온도, 충전 부품과 시스템 하우징 사이의 절연 저항을 측정한다. BMM은 일반적으로 전지 모듈에 있는 전지 셀의 개별 셀 전압과 온도를 측정한다.
따라서, BMS 및 BMM은 전지 팩을 관리, 예를 들어, 전지 셀이 안전한 작동 영역 밖에서 작동하지 않도록 보호하고, 전지 셀의 상태를 모니터링하며, 2차 데이터를 계산하여 해당 데이터를 보고하고, 이의 환경을 제어하며, 인증 및/또는 균형을 유지하는 등의 작업을 수행하기 위해 제공될 수 있다.
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.
전지 셀 구성 요소의 발열 분해는 소위 열 폭주(thermal runaway)로 이어질 수 있다. 일반적으로 열 폭주는 온도 상승에 의해 가속되어 온도를 추가로 증가시키는 에너지 방출 과정을 말한다. 열 폭주는 온도 증가가 추가로 온도를 증가시키는 방식으로 조건을 변경하는 상황에서 발생하며, 종종 파괴적인 결과를 초래한다 이차 전지 시스템에서 열 폭주는 온도 상승에 의해 가속화되는 강한 발열 반응과 관련이 있다. 이러한 발열 반응에는 전지 팩 하우징 내에 일어나는 가연성 가스 조성물의 연소가 포함될 수 있다. 예를 들어, 전지 셀이 임계 온도(일반적으로 150℃ 이상) 이상으로 가열되면 열 폭주로 전환될 수 있다. 초기 발열은 셀 내부 단락, 결함 전기 접촉에서 발열, 인접 셀과의 단락과 같은 국부적 고장으로 인해 발생할 수 있다. 열 폭주 중에 고장난 전지 셀, 즉 국부적으로 고장난 전지 셀은 700℃를 초과하는 온도에 도달할 수 있다. 또한, 셀 하우징의 배기구를 통해 고장난 전지 셀 내부에서 대량의 뜨거운 가스가 전지 팩으로 분출된다. 배출 가스의 주 성분은 H2, CO2, CO, 전해질 증기 및 기타 탄화수소이다. 따라서 배출 가스는 가연성이며 잠재적으로 독성이 있다. 또한, 배출 가스는 전지 팩 내부의 가스 압력을 증가시킨다.
대부분의 전지 시스템은 복수의 이차 전지 셀이 수납된 밀봉 전지 팩 하우징 또는 케이스를 포함한다. 전지 셀은 셀 스택 또는 모듈로 그룹화되고 위에서 언급한 바와 같이 다수의 모듈을 포함하는 전지 팩으로 구성될 수 있다. 모듈의 원하는 용량과 전압을 달성하기 위해 버스 바는 전지 셀을 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결한다. 또한 모듈 자체는 전지 팩의 원하는 시스템 전압에 도달할 때까지 직렬로 상호 연결될 수 있다.
이러한 이차 전지와 같은 전기 화학 전지는 음극 시트, 분리막 시트, 양극 시트 및 다시 분리막 시트의 반복 단위로 구성될 수 있다. 전극 사이에 원하는 접촉 면적을 얻기 위해 시트는 적층되거나 권회될 수 있다. 액체 또는 고체 전해질은 전극 사이에 이온 연결을 제공한다. 집전체는 전극을 외부 단자에 연결할 수 있다. 전기 화학 전지를 형성하는 전극, 전해질, 분리막 및 집전체는 밀폐된 전지 셀 용기에 수용된다.
과충전 안전 장치(OSD)가 전지 셀에 채용될 수 있다. 전지 셀 내부에 과압이 발생되는 경우 과충전 안전 장치는 집전체 중 하나를 차단하므로, 전지 셀에서 전류는 더 이상 흐르지 않는다. 따라서 전지 셀은 전기적으로 차단된다. 전지 셀 내부의 과압은 전지 셀이 과충전될 때 가스를 생성하는 전해질의 첨가제로 인해 발생할 수 있다.
전지 셀이 임계 온도(일반적으로 150°C 이상) 이상의 온도에 도달하면 위에서 언급한 바와 같이 열 폭주 상태로 전환될 수 있다. 초기 가열은 자체 결함, 예를 들어 셀 내부 단락, 불량 전기 접촉으로 인한 가열 또는 이웃 셀에 대한 단락으로 인해 발생할 수 있다. 열 폭주 동안 고장난 셀은 700°C ~ 900°C의 온도까지 가열되어 임계 온도보다 훨씬 더 높게 가열될 수 있다.
열 폭주 동안 많은 양의 가스가 짧은 시간에 방출되며, 전체 반응 시간은 예를 들어 단 1초일 수 있다. 그 결과 과격한 가스 흐름이 전극 물질(일반적으로 구리)을 전지 셀 외부와 전지 팩으로 이동시킨다. 구리는 녹는 온도(1080°C)가 높기 때문에 열 폭주 중에 녹지 않고 몇 센티미터 크기의 구리 호일 조각으로 전지 셀로부터 전지 팩 내부로 방출될 수 있다. 전지 팩에는 전지 셀이 전기적으로 상호 연결되어 있는 바, 상기와 같이 구리 조각이 전지 팩 내부에 방출되어 절연되지 않은 구성 요소를 연결하게 되면, 전지 팩 내부의 전지 셀/모듈 사이에는 단락 및 전기 아크가 생성될 수 있다.
한편, 열 폭주가 없더라도 전지 팩은 어떤 종류의 손상을 입어 그 상태를 온전히 알 수 없는 경우, 전지 팩을 취급해야 하는 사용자(예: 소방관, 노동자 및/또는 기술자)에게 위험을 초래할 수 있다. 즉, 손상된 전지 팩 내부에는 사용자를 위협할 수 있는 고전압이 존재할 수 있다.
따라서, 사용하기에 더 안전한 전지 셀 및 이러한 전지 셀을 포함하는 전지 시스템이 제공될 필요가 있다.
본 발명의 목적은 전지 셀이 손상된 경우 사용자에게 위험을 가하지 않을 수 있도록 한 전지 셀 및 이 전지 셀을 포함하는 전시 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전기 자동차용 전지 셀로서, 셀 하우징과, 상기 셀 하우징에 수용되는 전기 화학 셀, 및 상기 셀 하우징의 외부의 과압이 있는 경우 전지 시스템의 추가 전지 셀로부터 상기 전지 셀을 전기적으로 분리하도록 구성된 셀 분리 장치를 포함하는 전지 셀이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 시스템 하우징 및 시스템 하우징 내에 수용된 복수의 상기한 전지 셀을 포함하는 전지 시스템이 제공된다.
본 발명의 추가 측면은 종속항 또는 다음 설명으로부터 이해될 수 있다.
실시예에 따른 전지 셀은 간단한 구조를 갖는 셀 분리 장치에 의해 전지 셀이 손상되는 경우라도 사용자에게 위험을 가하지 않을 수 있다.
본 개시의 측면 및 특징은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세하게 설명함으로써 당업자에게 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 전지 셀에 셀 분리 장치가 작동된 상태를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 전지 셀을 복수로 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 전지 시스템을 도시한 개략도이다.
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. 동일한 인용 부호는 첨부된 도면 및 기재 설명 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소를 나타내므로 그 설명은 반복되지 않을 수 있다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에 예시된 실시 예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시가 철저하고 완전하고 본 개시의 측면 및 특징을 당업자에게 완전히 전달할 수 있도록 예로서 제공된다.
따라서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 측면 및 특징에 대한 완전한 이해를 위해 필요하다고 생각되지 않는 프로세스, 요소 및 기술에 대해서는 설명하지 않을 수 있다. 도면에서, 요소, 레이어 및 영역의 상대적인 크기는 명확성을 위해 과장될 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. 이하의 설명에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수형도 포함할 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. "적어도 하나"와 같은 표현이 구성 요소의 목록 앞에 있을 때, 전체 구성요소 목록을 수식하고 목록의 개별 요소를 수식하지 않는다.
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.
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 "상부" 및 "하부"라는 용어는 Z축에 따라 정의된다. 예를 들어, 상부 커버는 Z축의 상부에 위치하고, 하부 커버는 Z축의 하부에 위치한다 도면에서 요소, 층 및 영역의 상대적 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다. 예를 들어, 도면에서 각 구성 요소의 크기나 두께는 예시를 위해 임의로 나타낸 것으로, 본 발명의 실시예가 이로써 한정되지는 않는다.
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.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전지 셀이 제공되며, 전지 셀은 전기 자동차용 이차 전지의 일부로 사용되도록 구성된다. 전지 셀은 자체적으로 재충전이 가능하다. 전지 셀은 에너지 저장 장치로서 전기 화학 셀을 수용하는 셀 하우징을 포함한다. 이차 전지 셀은 전술한 바와 같이 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 분리막을 포함하는 전기 화학 셀(또는 전극 조립체), 전기 화학 셀을 수용하는 셀 하우징(또는 케이스), 및 전기 화학 셀에 전기적으로 연결된 전극 단자를 포함한다. 양극, 음극 및 전해액의 전기 화학적 반응을 통해 전지 셀의 충방전을 가능하게 하기 위해 셀 하우징 내부로 전해액이 주입된다. 전기 화학 셀은 제1 전극에 전기적으로 연결되는 제1 단자 및 제2 전극에 전기적으로 연결되는 제2 단자를 포함한다. 제1 전극은 양극이고 제2 전극은 음극일 수 있다. 또는 그 반대일 수 있다. 단자는 전지 셀과 다른 전지 셀의 전기적 연결을 허용하기 위해 셀 하우징 외부에 배치된다. 전극은 셀 하우징 내부에 배치된다. 제1 전극과 제1 단자 사이에 전기적 상호 연결을 형성하는 제1 집전체가 셀 하우징 내부에 배치될 수 있다. 이에 대응하여, 제2 전극과 제2 단자 사이이 전기적 상호 연결을 형성하는 제2 집전체가 셀 하우징 내부에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 전지 셀은 셀 하우징의 외부의 과압이 있는 경우 전지 시스템의 추가 전지 셀로부터 전지 셀을 전기적으로 분리하도록 구성된 셀 분리 장치를 포함한다. 전지 셀은 전술한 바와 같이 전기적으로 상호 연결된 다수의 전지 셀을 포함하는 전지 팩 또는 전지 시스템의 일부일 수 있다. 본 발명의 이 측면에 따른 전지 셀은 전지 셀의 셀 하우징의 외부의 과압이 있는 경우, 추가 전지 셀, 특히 전기적으로 연결된 임의의 다른 전지 셀, 예를 들어 전지 시스템의 임의의 다른 전지 셀로부터 분리될 수 있다. 전지 셀의 셀 하우징의 외부는 전지 셀을 둘러싸는(또는 포함하는) 전지 시스템의 시스템 하우징 내부를 의미할 수 있다. 과압은 셀 하우징의 외부의 압력, 가령 주변 시스템 하우징 내부의 압력이 사전 정의된 값을 초과함을 의미할 수 있다. 또한 과압은 셀 하우징의 외부의 압력이 미리 정의된 값으로 셀 하우징의 내부의 압력을 초과하는 것을 의미할 수 있다.
셀 분리 장치는 과압, 즉 셀 하우징의 외부의 압력과 셀 하우징의 내부의 압력 사이의 압력 차이를 감지하도록 구성될 수 있다. 셀 분리 장치는 과압을 감지하기 위한 하나 이상의 압력 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 셀 하우징의 외부의 압력을 측정하기 위한 압력 센서가 배치될 수 있으며, 제어 유닛, 예를 들어 BMS는 압력 센서가 사전 정의된 값을 초과하는 압력 값을 측정하는 경우 셀 분리 장치를 작동하도록 구성될 수 있다. 또한, 제1 압력 센서가 셀 하우징의 외부의 압력을 측정하도록 배치될 수 있는 반면 제2 압력 센서는 셀 하우징의 내부의 압력을 측정하도록 배치될 수 있으며, 제어 유닛은 외부 압력이 사전 정의된 값으로 내부 압력을 초과하는 경우, 셀 분리 장치를 작동하도록 구성될 수 있다. 이처럼 셀 분리 장치는 전기적으로 작동되도록 구성될 수 있다. 반면, 셀 분리 장치는 기계적으로 작동되도록 구성될 수도 있다. 즉, 후술되는 것처럼 멤브레인 또는 다이어프램으로 구성될 수 있다.
이러한 셀 분리 장치로 인해 전지 셀은 전지 셀의 셀 하우징의 외부에 과압이 있는 경우 전지 시스템의 추가 전지 셀로부터 전기적으로 분리될 수 있다. 이에 따라 해당 전지 셀은 전지 시스템의 전지 셀 사이에서 더 이상 단락 또는 전기 아크의 원인이 되지 않는다. 본 발명에 따른 전지 셀은 셀 하우징 내부의 과압이 있는 경우 뿐만 아니라 셀 하우징의 외부의 과압이 있는 경우에도 분리될 수 있다. 이에 따라 따라서 본 발명에 따른 셀 분리 장치는 앞선 설명한 과충전 안전 장치(OSD)와 관련하여 역과충전 안전 장치로 이해될 수 있다. 셀 하우징의 외부의 과압은 전지 셀의 분리를 달성하기 위해 의도적으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 전지 시스템의 시스템 하우징 내로 즉, 전지 셀의 셀 하우징의 외부로 상기와 같은 과압을 생성하기 위한 수단이 전지 시스템에 제공될 수 있다. 이러한 수단을 통해 전지 셀 또는 전지 시스템의 전지 셀의 여러 개 또는 전부가 분리될 수 있다. 예를 들어 전지 시스템의 상호 연결된 모든 전지 셀이 서로 분리될 수 있다. 이에 따라 열폭주 동안 셀에 증착된 구리 입자는 더 이상 전지 시스템 내부의 셀/모듈 사이에 단락 또는 전기 아크를 생성할 수 없다. 또한 전지 셀 및 전체 전지 시스템은 위험할 정도의 고압을 가지지 않게 되어 전지 셀/시스템을 다루는 사용자에게 더 이상 위험을 가하지 않을 수 있다. 지금까지는 시스템 하우징을 개방하지 않고 손상된 전지 팩의 전지 셀을 전기적으로 분리하거나 방전시키기 위한 쉬운 방법이 없었다. 본 발명은 셀 외부의 과압에 반응하는 셀 분리 장치를 통해 전지 셀을 전기적으로 분리할 수 있는 간단한 해결책을 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 위에서 설명한 시스템 하우징 및 이 시스템 하우징에 수용되는 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 시스템에 관한 것이다. 위에서 설명한 바와 같이, 복수의 전지 셀은 셀 스택 또는 모듈로 그룹화될 수 있으며, 전지 팩은 여러 모듈을 포함할 수 있다. 모듈의 원하는 용량과 전압을 달성하기 위해 버스 바는 전지 셀을 직렬 또는 병렬로 전기적으로 연결할 수 있다. 또한 모듈 자체는 전지 시스템의 원하는 시스템 전압에 도달할 때까지 직렬로 상호 연결될 수 있다. 언급된 바와 같이, 전지 시스템은 전지 셀의 셀 분리 장치를 작동시키기 위해 시스템 하우징 내에 과압을 설정하기 위한 수단을 포함할 수 있으며, 이 수단은 시스템 하우징의 내부에 배치되어 시스템 하우징에 가스를 방출하는 수단, 시스템 하우징에 배치되어 시스템 하우징의 외부의 가스 공급 장치에 연결되도록 구성된 가스 커넥터, 전지 셀로부터 시스템 하우징으로 배기 가스를 방출하기 위한 적어도 하나의 전지 셀의 배기 밸브 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 시스템 하우징은 기밀 상태일 수 있다. 시스템 하우징은 시스템 하우징의 내부의 과압을 설정할 수 있는 수단이 시스템 하우징의 내부의 압력을 충분히 빠르게 설정할 수 있다는 점에서 기밀 상태일 수 있다. 예를 들어, 시스템 하우징은 시스템 하우징의 내부와 시스템 하우징 외부 사이의 느린 압력 변화의 균형을 맞추기 위해 가스 처리량이 낮은 이퀄라이저 밸브를 포함할 수 있다. 반면, 과압을 제공하기 위한 수단은 설명된 과압이 여전히 달성될 수 있도록 시스템 하우징의 내부의 압력을 이퀄라이저 밸브가 외부 압력과 균형을 이룰 수 있는 것보다 더 빠르게 증가시키도록 구성될 수 있다.
가령, 가스를 방출하기 위한 수단은 시스템 하우징의 내부에 배치된 가스 발생기(예: 가압 가스 탱크)를 포함할 수 있다. 가스 발생기는 필요한 경우, 예를 들어 전지 시스템을 포함하는 차량의 충돌시, 제어 장치(예: BMU/BMS 또는 BCU)에 의해 작동될 수 있다. 가스 발생기는 시스템 하우징 내부에 과압을 제공할 수 있는 에어백과 같은 압축 공기 또는 폭약식 장치를 포함할 수 있다. 또한, 가스 발생기는 팩 케이스 내부의 가연성 가스 혼합물을 연소/폭연하여 시스템 하우징 내부에 과압을 제공하도록 구성될 수도 있다. 작동 시, 가스 발생기는 전지 셀의 셀 하우징 내부에 존재하는 압력에 대해 과압을 설정하여 모든 전지 셀의 셀 분리 장치를 작동시킬 수 있다. 이의 결과에 따라 전지 시스템은 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 즉, 전지 시스템 간의 전기적 상호 연결이 끊어지게 된다. 또한 가스를 시스템 하우징으로 방출하기 위한 수단은 전지 시스템의 외부에 배치될 수 있다. 가령 시스템 하우징에 배치된 가스 커넥터를 통해 가압 가스가 시스템 하우징으로 도입될 수 있다. 예를 들어, 가스 공급 장치는 시스템 하우징 외부에 배치될 수 있으며, 가스 공급 장치는 가스 커넥터와 유체 연결될 수 있다. 가스 발생기가 활성화되거나 가스 커넥터가 예를 들어, 전술한 제어 장치에 의해 개방된 경우, 가압 가스가 시스템 하우징으로 배출되고 이로 인해 모든 전지 셀의 분리 장치가 작동될 수 있다. 과압을 제공하기 위한 또 다른 수단으로서, 하나 이상의 전지 셀, 바람직하게는 모든 전지 셀은 전지 셀의 셀 하우징의 내부로부터 시스템 하우징 내로 전지 셀의 외부에 가스를 배기하기 위한 배기 밸브를 포함할 수 있다. 배기 밸브는 일 방향 가스 밸브일 수 있습니다. 예를 들어 전지의 열 폭주(thermal runaway) 시, 셀 하우징 내부에 과압이 발생되는 경우 배기 밸브는 셀 하우징을 배기시킬 수 있다. 하나 이상의 전지 셀이 열 폭주되면 배기 부산물(예: 배기 가스)이 시스템 하우징으로 배출되어 시스템 하우징 내부의 압력이 증가될 수 있다. 이러한 방식에 의해 시스템 하우징에서 열 폭주하지 않은 전지 셀에 대한 과압이 만들어질 수 있다. 이 과압으로 인해 전지 셀의 셀 분리 장치가 작동되고 결과적으로 열 폭주된 전지 셀이 나머지 셀로부터 분리된다.
이와 같이 상기한 수단을 통해 시스템 하우징의 과압을 의도적으로 만들어 모든 전지 셀을 영구적으로 분리할 수 있다. 전지 시스템을 포함하는 전기 자동차에 사고가 나는 경우, 상기한 수단은 자동으로 활성화되도록 구성될 수 있다. 차량의 충돌 센서가 사고를 감지하면 제어 장치(예: BMS)가 시스템 하우징 내부에 과압을 설정하는 수단을 활성화할 수 있다. 또한 상기한 수단은 예를 들어 전지를 재활용하는 노동자, 차량 화재를 진압하는 소방관 또는 차량/전지 시스템을 유지 관리하는 기술자에 의해 수동으로 활성화되도록 구성될 수도 있다. 또한 전체 전지 시스템을 압력 용기에 넣어 외부에서 과압을 가할 수 있다.
전지 셀의 전기적 분리는 셀 하우징 내부 가령, 전기 화학 셀과 외부 단자 사이의 하나 이상의 전기 연결을 분리함으로써 달성될 수 있다. 본 발명의 각 측면에 따르면, 셀 분리 장치는 제1 단자로부터 제1 전극을 전기적으로 분리 및/또는 제2 단자로부터 제2 전극을 전기적으로 분리함으로써 전지 셀을 전기적으로 분리시키도록 구성된다. 이에 따라 셀 하우징 내부에 배치된 각 전극과 셀 하우징 외부에 배치된 단자 사이의 전기적 연결이 끊어질 수 있다. 분리될 전기적 연결은 셀 하우징 내부에 배치되는 것이 좋다. 전기적 연결은 제1 집전체 또는 제2 집전체일 수 있다. 따라서, 셀 분리 장치는 제1 집전체 및/또는 제2 집전체를 분리 또는 절단하도록 구성될 수 있다. 셀 분리 장치는 예를 들어 회로 차단기 또는 퓨즈 등의 분리 장치를 포함할 수 있다. 분리 장치는 제1 단자로부터 제1 전극 및/또는 제2 단자로부터 제2 전극을 전기적으로 분리시키도록 배치될 수 있다. 이러한 분리는 구조적으로 비교적 간단하게 구현될 수 있다. 또한 이러한 셀 하우징 내부의 분리는 전지 셀의 상부에 증착될 수 있는 배기 부산물(예: 구리 조각)에 의해 우발적 사고를 방지할 수 있어 전지 셀의 안정성을 강화시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 셀 분리 장치는 셀 하우징 외부의 과압에 의해 중립 위치에서 작동 위치로 전환되도록 구성된 스위칭 소자를 포함한다. 작동 위치에서 스위칭 소자는 전지 셀을 단락시키고, 이 단락의 결과로 분리 장치는 제1 단자로부터 제1 전극 및/또는 제2 단자로부터 제2 전극을 전기적으로 분리하도록 한다. 스위칭 소자의 중립 위치에서, 전지 셀은 전지 시스템의 추가 전지 셀에 전기적으로 연결될 수 있고 차량에 전력을 전달하는 의도된 기능을 수행할 수 있다. 스위칭 소자의 작동 위치에서, 스위칭 소자는 제1 전극과 제2 전극을 전기적으로 연결함으로써 전지 셀의 단락 전류를 설정할 수 있다. 스위칭 소자는 제1단자와 제2단자를 전기적으로 연결함으로써 제1 전극 및 제2 전극을 서로 전기적으로 연결할 수 있다. 단락 전류는 분리 장치를 작동시킬 수 있고 이에 따라 셀 하우징 외부의 과압으로 인해 전지 시스템의 추가 전지 셀로부터 전지 셀이 분리될 수 있다. 앞서 말한 바와 같이, 분리 장치는 예를 들어 회로 차단기 또는 퓨즈일 수 있다. 회로 차단기는 전기 스위치로서 재사용이 가능하게 정상 작동 상태로 재설정될 수 있는 장점이 있다. 반면에 퓨즈는 구조적으로 더 간단하고 더 안정적이라는 장점이 있다. 이와 같은 스위칭 소자 및 분리 장치를 포함하는 셀 분리 장치를 사용하면 구조적으로 간단한 방식으로 신뢰성 있게 전지 셀을 분리할 수 있다.
본 발명의 각 측면에 따르면, 셀 하우징은 제1 단자에 전기적으로 연결되고, 분리 장치는 제1 전극과 제1 단자를 분리하도록 배치된다. 또한 스위칭 소자는 작동 시, 셀 하우징과 제2 전극을 전기적으로 연결함으로써 제1 전극과 제2 전극을 연결하여 분리 장치가 작동하여 제1 전극과 제1 단자 사이의 전기적 연결을 끊도록 배치된다. 스위칭 소자는 셀 하우징과 제2 전극 사이에 전기적 연결을 제공하도록 구성되고, 셀 하우징이 제1 단자에 전기적으로 연결되므로 스위칭 소자는 제1 단자와 제2 전극을 전기적으로 연결할 수 있다. 이러한 구성에 의해 제1 전극과 제2 전극의 전기적 상호연결이 초래되고 이에 따라 양 전극 사이에 흐르는 단락 전류가 초래된다. 분리 장치는 제1 전극과 제1 단자 사이의 전기 연결부, 가령 제1 집전체에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 집전체는 퓨즈, 가령 퓨즈로서 기능하는 테이퍼드 섹션(tapered section) 또는 얇아진 부분을 포함할 수 있다. 테이퍼드 섹션은 제1 집전체의 나머지 부분보다 더 높은 전기 저항을 가지며, 단락 전류에 의해 탈 수 있다. 따라서, 제1 전극과 제1 단자 사이, 다시 말해 제1 전극과 제2 전극 사이의 전기적 연결이 끊어질 수 있다. 이러한 방식으로 셀 하우징 내부의 전기 연결이 영구적으로 분리될 수 있다. 언급한 바와 같이, 셀 하우징 내부의 이러한 분리는 전지 셀의 상부에 증착될 수 있는 배기 부산물(예: 구리 조각)에 의해 우발적 사고를 방지할 수 있어 전지 셀의 안정성을 강화시킬 수 있다. 또한, 이러한 분리 구조적으로 비교적 간단하다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 스위칭 소자는 기계적으로 작동되도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 스위칭 소자는 예를 들어 제어 장치를 통해 전기적으로 작동되도록 구성될 수 있다. 그러나 이보다 스위칭 소자는 기계적으로 작동되도록 구성되는데 이는 구조적으로 더 간단하고 오류 발생 가능성이 작은 구성을 제공할 수 있기 때문이다. 본 발명의 각 측면에 따르면, 스위칭 소자는 셀 하우징 외부의 과압에 의해 변형되도록 적응된 셀 하우징에 배치된 멤브레인을 포함한다. 중립 위치에서 멤브레인은 셀 하우징의 외부를 향해 돌출되고 작동 위치에서 멤브레인은 셀 하우징 외부의 과압에 의해 셀 하우징 내부로 돌출되어 전지 셀을 단락시키게 된다. 스위칭 소자는 중립 위치와 작동 위치 사이에서 변형될 수 있도록 전지 셀 주변에 고정되는 멤브레인, 즉 다이어프램일 수 있다. 예를 들어, 멤브레인은 셀 하우징의 하우징 벽에 내장될 수 있다. 셀 하우징은 개구부를 포함할 수 있고, 멤브레인은 셀 하우징과 기밀/밀봉된 연결로 개구부에 배치된다. 중립 위치에서 멤브레인은 셀 하우징에 대해 외측으로 부풀어 오르거나 휘어진 상태를 유지할 수 있다. 셀 하우징 내부에 비해 셀 하우징 외부에 과압이 있는 경우 멤브레인은 압력 차이에 의해 셀 하우징에 대해 내측을 향해 기계적으로 변형된다. 따라서, 작동 위치에서 멤브레인은 셀 하우징에 대해 안쪽으로 돌출되거나 만곡된 상태를 유지하게 된다. 이처럼 멤브레인이 셀 하우징의 내부로 돌출될 때, 즉 작동 위치 시, 전술한 바와 같이 제1 전극 및 제2 전극을 서로 연결하여 전지 셀의 단락을 제공할 수 있다. 이러한 실시예의 스위칭 소자는 구성이 더욱 간단하다. 즉, 멤브레인을 작동시키기 위해 압력 센서 및 제어 장치가 필요하지 않는다. 멤브레인 자체가 미리 정의된 과압/압력 차이가 있는 경우 중립 위치에서 작동 위치로 간단히 전환될 수 있다. 멤브레인이 반응하는 과압/압력 차이는 멤브레인을 만들기 위한 재료 및/또는 멤브레인의 두께에 의해 결정될 수 있다.
멤브레인은 셀 하우징에 대한 내부 압력과 외부 압력의 차에 반응하므로 셀 하우징 내부의 내부 압력을 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 내부 압력은 예를 들어, 셀의 노후화에 의해 상승될 수 있다. 따라서, 오래된 전지 셀은 더 높은 내부 압력을 가질 수 있으므로, 특정 외부 압력, 즉 주변 시스템 하우징의 특정 압력은 멤브레인의 반응을 불러오지 못해 셀 분리 장치를 작동시키기에 더 이상 충분하지 않을 수 있다. 셀 하우징 내부의 내부 압력을 일정한 수준으로 유지하는 것이 다음 2가지 방법에 의해 가능하다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 멤브레인은 기밀 분리 부재에 의해 셀 하우징의 내부와 분리된다. 멤브레인과 기밀 분리 부재는 캡슐화된 공간을 형성하고 미리 정의된 기준 압력이 캡슐화된 공간에 인가된다. 따라서, 멤브레인의 내벽을 위한 별도의 공간이 제공된다. 따라서 멤브레인의 내벽은 전기 화학 셀이 배치된 셀 하우징의 일부 내부의 압력과 접촉하지 않고 기밀 분리 부재를 통해 그 부분과 분리된다. . 즉, 멤브레인이 배치되는 공간은 캡슐화, 즉 멤브레인은 전해질과 동일한 공간에 배치되지 않고 기밀 방식으로 전해질과 분리된다. 이를 통해 예를 들어, 전지 셀의 제조 시, 정의된 기준 압력이 멤브레인이 배치된 캡슐화된 공간에 공급될 수 있다. 이에 따라 가령, 전기 화학 셀의 노후화로 인한 전지 셀의 내부 압력의 상승은 더 이상 멤브레인의 작동에 영향을 줄 수 없다. 반면 셀 하우징 외부에 사전 정의된 과압이 제공되는 경우 멤브레인이 작동 위치로 안정적으로 전환될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전지 셀은 셀 하우징 내부의 과압을 셀 하우징 외부로 방출하기 위한 일 방향 가스 배기 밸브를 포함한다. 셀 하우징 내부, 가령 전기 화학 셀이 배치되는 셀 하우징의 일부 내부에 대한 과압은 전술한 바와 같이 전지 셀의 노화로 인해 발생할 수 있다. 또한 이러한 과압은 전지 셀의 열 폭주로 인해 발생할 수 있다. 따라서, 캡슐화되는 멤브레인에 대안적으로 또는 추가적으로, 셀 하우징의 일부(전기 화학 전지를 포함하는) 내부에 축적되어 셀 하우징의 외부의 압력보다 높은 압력을 초래하는 임의의 가스가 셀 하우징의 내부의 압력을 안정적으로 유지하면서 일 방향 가스 배기 밸브에 의해 셀 하우징의 외부로 배출될 수 있다 따라서 멤브레인은 캡슐화되지 않은 경우에도 작동 위치로 안정적으로 전환될 수 있다. 이러한 밸브는 시스템 하우징에 배치된 다른 전지 셀의 내부를 위한 과압을 제공하여 열 폭주 시 전지 셀이 위에서 언급한 바와 같이 다른 셀의 셀 분리 장치를 작동시킬 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 셀을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 2는 도 1의 전지 셀에 셀 분리 장치가 작동된 상태를 나타내는 개략적인 단면도이다. 도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 전지 셀을 복수로 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 전지 시스템을 도시한 개략도이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전지 셀(10)을 도시한 것이다. 전지 셀(10)은 셀 하우징(11) 및 셀 하우징(11)에 수용되는 전기 화학 셀(30)을 포함한다. 전기 화학 셀(30)은 셀 하우징(11)의 외부에 배치되고 전기 화학 셀(30)에 전기적으로 연결된 전지 셀(10)의 전극 단자(13, 18)를 통해 전기 화학 셀(30)로부터 전기 에너지가 추출될 수 있는 제1 전극(15) 및 제2 전극(16)을 포함한다. 본 실시예에서 제1 단자(13)는 제1 집전체(12)를 통해 제1 전극(15)에 전기적으로 연결되고, 제2 단자(18)는 제2 집전체(17)를 통해 제2 전극(16)에 전기적으로 연결된다. 전지 셀(10)은 전지 팩의 일부를 형성할 수 있다. 여기서 전지 셀(10)은 전극 단자(13, 18)를 통해 다른 전지 셀과 전기적으로 상호 연결될 수 있다.
셀 하우징(11)은 제1 단자(13)에 전기적으로 연결되어 제1 집전체(12)를 통해 제1 전극(15)에 연결된다. 제2 집전체(17)는 관통홀(24)을 통해 연장되는 전기 연결을 통해 제2 단자(18)와 접촉하고 절연 부재(25)에 의해 셀 하우징(11)과 전기적으로 절연된다. 제1 집전체(12)는 후술하는 바와 같이 퓨즈(14)로서 기능하는 테이퍼드 섹션(tapered section)을 포함한다.
전지 셀(10)은 제2 단자(18)에 배치된 근처의 셀 하우징(11) 부위에 내장된 스위칭 소자(20)를 더욱 포함한다. 스위칭 소자(20)는 전기 전도성 멤브레인(21)을 포함한다. 멤브레인(21)은 원형(또는 반구형)일 수 있으며, 셀 하우징(11)의 상부벽로 셀 하우징(11)에 일체화될 수 있고 이의 둘레는 셀 하우징(11)에 고정된다. 이에 따라 멤브레인(21)은 다이어프램을 형성한다. 멤브레인(21)은 전기 전도성을 지니며 셀 하우징(11)에 전기적으로 접촉된다. 멤브레인(21)은 도 1에 도시된 위치와 같은 중립 위치에서는 셀 하우징(11)의 외부를 향해 바깥쪽으로 팽창된 상태를 유지하고, 도 2에 도시된 위치와 같은 작동 위치에서는 셀 하우징(11)의 내부를 향해 안쪽으로 팽창된 상태를 유지하도록 구성된다. 전지 셀(10)의 정상 작동 중에 멤브레인(21)은 도 1에 도시된 중립 위치를 유지한다. 이에 따라 셀 하우징(11)과 제2 전극(16)은 서로 전기적으로 절연된다. 이러한 전지 셀(10)의 정상 작동 시, 퓨즈(14)는 전기 전도성을 유지한다. 따라서, 정상 작동 중에 전지 셀(10)은 적용 장치 예를 들어, 전기 자동차에 전원을 공급할 수 있다.
셀 하우징(11) 외부의 압력이 미리 정의된 셀 하우징(11) 내부의 압력을 초과하는 경우, 멤브레인(21)은 더 이상 압력 차이를 견디지 못하고 셀 하우징(11) 내부를 향해 변형된다. 이처럼 셀 하우징(11) 외부의 과압의 경우 멤브레인(21)은 도 1의 중립 위치에서 도 2의 작동 위치로 변형된다. 작동 위치에서 멤브레인(21)은 제2 집전체(17)와 접촉하여 셀 하우징(11)과 제2 전극(16) 사이의 전기적 연결을 설정한다. 이로 인해 양 전극(15, 16)이 연결되는 바, 전지 셀(10) 내부에 단락 전류가 발생되고 퓨즈(14)는 단락 전류에 의해 도 2에 도시된 바와 같이 끊어진다. 이에 따라 제1 전극(15)은 제1 단자(13)뿐만 아니라 셀 하우징(11)과 분리되고 제2 전극(16)으로는 더 이상 단락 전류가 흐르지 않게 된다.
이의 결과에 따라 전지 셀(10)은 전지 팩의 임의의 추가 전지 셀로부터 분리된다. 이에 해당 전지 셀(10)은 더 이상 전지 팩에 있어 전지 셀 간의 단락 또는 전기 아크의 원인이 되지 않는다. 이와 같이 퓨즈(14)와 스위칭 소자(20)는 전지 셀(10)에 있어 위험한 전위가 축적되는 것을 방지하는 셀 분리 장치로서 제공된다.
멤브레인은 셀 하우징에 대한 내부 압력과 외부 압력의 차에 반응하므로 셀 하우징 내부의 내부 압력을 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 내부 압력의 전지 셀의 노후화 및/또는 전지 셀의 열 폭주에 의해 상승될 수 있다. 따라서, 전지 셀(10)은 셀 하우징(11) 내부의 과압을 셀 하우징(11) 외부로 방출하기 위한 일 방향 가스 배기 밸브(32)를 포함할 수 있다. 이러한 구성은 화학 반응(예를 들어, 전해질 노화에 의해 유발됨)으로 인해 셀 하우징(11) 내부에 압력이 축적되는 것을 방지할 수 있다. 전지 셀(10) 내부의 과압은 외부 압력, 즉 전지 셀(10)을 포함하는 전지 시스템의 주변 시스템 하우징의 압력이 스위칭 소자(20)를 작동시키기 위해 셀 하우징(11) 내의 추가 압력을 넘어서야 스위칭 소자(20)를 작동시킬 수 있기 때문에 유해하다. 이러한 이유로, 전지 셀(10)은 기밀 분리 부재(26)에 의해 형성되는 봉지 공간(28)을 포함할 수 있다. 봉지 공간(28)은 전기 화학 셀(30)이 배치된 셀 하우징(11)의 부분으로부터 멤브레인(21)을 분리하여 전기 화학 셀(30)이 배치된 부분의 셀 하우징(11)의 내부 압력 상승이 봉지 공간(28) 내부의 압력에 영향을 미치지 않도록 한다. 전지 셀(10)의 제조 시, 봉지 공간(28) 내부에는 사전 정의된 기준 압력이 제공될 수 있다. 봉지 공간(28)은 멤브레인(21)이 항상 사전 정의된 압력에서 작동 위치로 전환되는 것을 보장할 수 있다.
스위칭 소자(20)를 작동시키는데 필요한 과압은 전지 셀(10) 자체 또는 다른 수단에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 전지 셀(10)은 열 폭주 동안, 가스 배기 밸브(32)를 통해 외부로 배출되는 가스 및/또는 입자에 의해 전지 셀(10) 외부에 적어도 일정량의 과압을 제공할 수 있다. 전지 시스템의 하나 이상의 전지 셀(10)이 내부 과압을 시스템 하우징으로 방출하면 외부 압력이 상승할 수 있다. 이러한 방식으로 전지 셀(10) 외부로 주변 시스템 하우징 내부의 과압이 만들어지고 이로 인해 다른 전지 셀의 스위칭 소자(20)가 작동될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전지 시스템(100)을 도시한 것으로, 전지 시스템(100) 또는 전지 팩은 시스템 하우징(101) 및 하우징(101) 내에 수용된 복수의 전지 셀(10)을 포함한다. 전지 셀(10) 각각은 위에서 설명한 전지 셀(10)일 수 있다. 전지 셀(10)은 2개의 전지 모듈(110a, 110b)로 배열되며, 각각의 전지 모듈(110a, 110b)은 직렬 방식으로 전기적으로 연결된 4개의 전지 셀(10)을 포함한다. 또한 2개의 전지 모듈(110a, 110b)은 직렬 방식으로 전기적으로 연결되고 전지 분리 유닛(BDU, 103)에 추가로 연결된다. 전지 분리 유닛(103)은 전지 시스템(100)을 외부와 전기적으로 연결한다.
전지 시스템(100)은 전지 관리 유닛(BMU, 104) 및 시스템 하우징(101) 내에 배열된 가스 발생기(102)를 더욱 포함한다. 전지 관리 유닛(104)은 가스 발생기(102)를 작동시켜 시스템 하우징(101)으로 가스를 방출하도록 구성되며, 시스템 하우징(101)은 외부에 대해 기밀하게 밀봉된다. 가스 발생기(102)는 전지 셀(10)의 내부에 대한 과압을 달성하기 위한 충분한 가스를 전지 시스템(100)으로 방출할 수 있고 이에 따라 모든 전지 셀(10)의 스위칭 소자(20)는 동시에 작동할 수 있다. 이에 전지 관리 유닛(104)을 통해 모든 전지 셀(10)은 위에서 설명한 바와 같이 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 다시 말해, 전지 시스템(100)의 각 전지 셀 전극은 다른 전지 셀 전극과 전기적으로 분리될 수 있다. 따라서, 분리된 전지 셀(전지 셀 전극)은 더 이상 전지 셀 간의 단락 및 전기 아크의 원인이 되지 않는다. 이에 따라 전지 셀 사이에 더 이상 위험한 전위에 전압이 더해지지 않는다. 단일 전기 화학 셀의 전기 화학 전위와 동일한 전압(일반적으로 < 5V)만 전지 시스템에 존재하게 된다.
전지 시스템(100)은 가스 발생기(102)에 대안적으로 또는 추가적으로, 시스템 하우징(101)에 포함되고 시스템 하우징(101) 외부의 외부 가스 공급 장치(예: 가스 압축기)에 연결되도록 구성되는 가스 커넥터(105)를 포함할 수 있다. 외부 가스 공급 장치는 시스템 하우징(101) 내부의 가스 압력을 증가시키기 위해 시스템 하우징(101)으로 가스를 전달할 수 있다.
전지 시스템(100)은 시스템 하우징(101)에 배열된 이퀄라이저 밸브(106)를 더욱 포함할 수 있다. 이퀄라이저 밸브(106)는 시스템 하우징의 내부와 시스템 하우징 외부 사이의 느린 압력 변화의 균형을 맞추기 위해 낮은 가스 처리량을 갖는다. 과압을 제공하기 위한 수단, 즉 가스 발생기(102) 및/또는 가스 커넥터(105)를 통해 가스를 공급하는 외부 가스 공급 장치는, 설명된 과압이 여전히 달성될 수 있도록 이퀄라이저 밸브(106)가 외부 압력과 균형을 이룰 수 있는 것보다 빠르게 시스템 하우징 내부의 압력을 증가시키도록 구성될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10 전지 셀
11 셀 하우징
12 제1 집전체
13 제1 단자
14 퓨즈
15 제1 전극
16 제2 전극
17 제2 집전체
18 제2 단자
20 스위칭 소자
21 멤브레인
24 관통홀
25 절연 부재
26 기밀 분리 부재
28 봉지 공간
30 전기 화학 셀
32 일 방향 가스 배기 밸브
100 전지 시스템
101 시스템 하우징
102 가스 발생기
103 전지 분리 유닛
104 전기 관리 유닛
105 가스 커넥터
106 이퀄라이저 밸브
110a, 110b 전지 모듈

Claims (12)

  1. 전기 자동차용 전지 셀에 있어서,
    셀 하우징;
    상기 셀 하우징에 수용되는 전기 화학 셀; 및
    상기 셀 하우징의 외부의 과압이 있는 경우 전지 시스템의 추가 전지 셀로부터 상기 전지 셀을 전기적으로 분리하도록 구성된 셀 분리 장치
    를 포함하는 전지 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 화학 셀은 제1 전극, 제2 전극, 상기 제1전극에 전기적으로 연결되는 제1단자 및 상기 제2 전극에 전기적으로 연결되는 제2 단자를 포함하고,
    상기 셀 분리 장치는 상기 제1 단자로부터 상기 제1 전극을 전기적으로 분리 및/또는 제2 단자로부터 제2 전극을 전기적으로 분리하여 상기 전지 셀을 분리하도록 구성된, 전지 셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 분리 장치는 상기 셀 하우징의 외부의 과압에 의해 중립 위치에서 작동 위치로 전환되도록 구성된 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 작동 위치에서 상기 스위칭 소자는 상기 전지 셀을 단락시키고, 상기 단락에 의해 상기 셀 분리 장치는 상기 제1 단자로부터 상기 제1 전극을 전기적으로 분리 및/또는 상기 제2 단자로부터 상기 제2 전극을 분리하도록 구성된 전지 셀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는 상기 작동 위치에서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전기적 연결을 설정하는 전지 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 셀 하우징은 상기 제1 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 셀 분리 장치는 상기 제1 전극과 상기 제1 단자 사이의 전기적 연결을 분리 가능하게 배치되며, 상기 스위칭 소자는 작동 시, 상기 셀 하우징과 상기 제2 전극을 전기적으로 연결함으로써 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 연결하여, 상기 셀 분리 장치가 작동되어 상기 제1 전극과 상기 제1 단자 사이의 전기적 연결이 분리되는 전지 셀.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는 기계적으로 작동되도록 구성된 전지 셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는 상기 셀 하우징에 배치되어 상기 셀 하우징의 외부의 과압에 의해 변형되도록 구성된 멤브레인을 포함하고, 상기 중립 위치에서 상기 멤브레인은 상기 셀 하우징의 외부를 향해 돌출되고 상기 작동 위치에서 상기 멤브레인은 상기 셀 하우징의 외부의 과압에 의해 셀 하우징 내로 내부를 향해 돌출되어 상기 전지 셀을 단락시키는, 전지 셀.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 멤브레인은 기밀 분리 부재에 의해 상기 셀 하우징의 내부와 분리되며, 상기 멤브레인과 상기 기밀 분리는 부재는 캡슐화된 공간을 형성하고 미리 정의된 기준 압력이 상기 캡슐화된 공간에 인가되는, 전지 셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전지 셀은 셀 하우징 내부의 과압을 상기 셀 하우징 외부로 배출시키는 일 방향 가스배기밸브를 포함하는 전지 셀.
  10. 시스템 하우징; 및
    상기 시스템 하우징 내에 수용된 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전지 셀의 셀 분리 장치를 작동시키기 위해 상기 시스템 하우징 내에 과압을 설정하기 위한 수단을 포함하는 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 과압을 설정하기 위한 수단은, 상기 시스템 하우징의 내부에 배치되어 상기 시스템 하우징에 가스를 방출하는 수단, 상기 시스템 하우징에 배치되며 상기 시스템 하우징의 외부의 가스 공급 장치에 연결되도록 구성된 가스 커넥터 및 상기 전지 셀 상에 배치되어 전지 셀로부터 상기 시스템 하우징으로 배기 가스를 방출하도록 하기 위한 적어도 하나의 배기 밸브 중 하나 이상을 포함하는 전지 시스템.
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