KR20230151485A - 쿨러 빔을 갖는 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 전지 시스템은, 복수의 셀 행과, 복수의 쿨러 빔, 및 냉매를 가이드할 수 있도록 구성된 메인 채널을 복수로 포함하는 채널 시스템을 포함한다. 상기 복수의 셀 행은 각기, 전면, 후면, 제1 측면, 제2 측면, 상부면 및 하부면을 포함하고 제1 방향을 따라 배열된 각형 셀을 복수로 포함한다. 상기 복수의 쿨러 빔은 각기, 상기 제1 방향에 수직하게 배열된 제1 측면 및 제2 측면을 포함하고, 상기 복수의 셀 행은 각기, 복수의 블록으로 구분되고, 상기 복수의 블록 각각은 전면 및 후면 가지며 상기 셀 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제1 방향으로 볼 때, 상기 블록의 전면은 대응하는 블록의 전지 셀 중 제1 셀의 전면에 의해 이루어지고, 상기 블록의 후면은 대응하는 블록의 전지 셀 중 마지막 셀의 후면에 의해 이루어진다. 상기 복수의 블록 각각에 대해, 블록의 전면은 상기 복수의 쿨러 빔 중 대응하는 쿨러 빔의 제2 측면에 대해 맞닿고 그리고/또는 블록의 후면은 대응하는 다른 쿨러 빔의 제1 측면에 대해 맞닿으며, 상기 복수의 쿨러 빔 각각에 대해, 상기 복수의 메인 채널 중 하나의 메인 채널은 대응하는 쿨러 빔에 통합되어 열적으로 연결된다.

Description

쿨러 빔을 갖는 전지 시스템{BATTERY SYSTEM WITH COOLER BEAMS}
본 발명의 실시예의 측면은 쿨러 빔(cooler beam)을 갖는 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.
이러한 전지 팩의 기계적 통합은 개별 구성요소, 예를 들어 전지 모듈 내 및 전지 모듈과 차량의 지지 구조체 사이의 적절한 기계적 연결을 필요로 한다. 이 연결은 전지 시스템의 평균 서비스 수명 동안 기능적이고 안전하게 유지되어야 한다. 또한 특히 모바일 애플리케이션에서 설치 공간 및 호환성 요구 사항이 충족되어야 한다.
전지 모듈 또는 나아가 전지 시스템의 기계적 통합은 하우징 또는 캐리어 프레임 워크(carrier framework)를 제공하고 그 위에 전지 모듈을 배치함으로써 달성될 수 있다. 전지 셀 또는 전지 모듈의 고정은 프레임 워크에 장착된 함몰부 또는 볼트 또는 나사와 같은 기계적인 상호 연결구에 의해 달성될 수 있다. 대안적으로, 전지 모듈은 측면 플레이트를 캐리어 프레임 워크의 측면에 고정함으로써 구속된다. 또한, 커버 플레이트는 전지 모듈의 상부와 하부에 고정될 수 있다.
전지 팩의 캐리어 프레임 워크는 차량의 운반 구조물에 장착된다. 전지 팩이 차량 바닥에 고정되어야 하는 경우, 기계적 연결은 가령 전지 팩의 캐리어 프레임 워크를 통과하는 볼트에 의해 바닥면에 설정될 수 있다. 프레임 워크는 일반적으로 총 중량을 낮추기 위해 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어진다.
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 유닛(Battery Management Unit, BMU, 이하 BMU라 함)이라고도 불리우는 복수의 전지 모듈 관리자를 포함할 수 있다. 전지 관리 유닛은 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. BMU는 일반적으로 전지 모듈에 있는 전지 셀의 개별 셀 전압과 온도를 측정한다.
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 팩을 안전하게 사용할 수 있도록 전지 팩의 열 제어를 제공하기 위해서 능동형 또는 수동형 열 관리 시스템이 사용될 수 있다. 이러한 열 관리 시스템은 적어도 하나의 전지 모듈의 이차 전지로부터 발생되는 열을 효율적으로 방열, 방출 및/또는 소산시킬 수 있다. 열이 충분히 발산/방출/소산되지 않으면 각 전지 셀 간에 온도 편차가 발생하여 적어도 하나의 전지 모듈이 더 이상 원하는 양의 전력을 생성하지 못할 수 있다. 또한, 내부 온도 상승은 내부에서 비정상적인 반응을 일으킬 수 있어 이차 전지의 충,방전 성능이 저하되고 나아가 이차 전지의 수명이 단축될 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.
안전 표준은 예를 들어 내부 셀 단락 회로에 의해 트리거된 심각한 열 이벤트(예: 전지 시스템의 하나 이상의 셀에서 발생하는 열 폭주)의 경우, 열 이벤트가 시작된 후 5분 이상 전지 팩 외부에서 화재 또는 화염이 발생하지 않도록 하는 것을 요구한다. 그러나 고객은 심각한 열 이벤트 중에 화재나 화염이 전혀 발생하지 않도록 하는 것, 이른바 전파 중지를 요구할 수 있다. 이를 위해 하나의 셀에서 다음 셀로 전파 속도를 늦출 수 있도록 셀 스페이서가 통상적으로 사용된다. 셀 스페이서는 전파 시간을 일반적으로 약 1분 내지 약 3분으로 연장할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 셀 스페이서에 의해서는 일반적으로 열 전파가 중지되지 못하고 지연만되고 있어 이를 통해서는 셀 스택에서 발생되는 열 전파를 중지시키지 못할 가능성이 높다.
이처럼 셀 스택에서 열 전파를 멈추는 것은 매우 높은 비용과 패키징 공간을 포함한 다양한 요인으로 인해 어려운 실정이다.
본 발명의 목적은 전지 시스템 내부에서 전지 셀을 가로지르는 열 전파를 정지시키거나 실질적으로 지연시킬 수 있는 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템은, 복수의 셀 행, 복수의 쿨러 빔, 및 복수의 메인 채널을 포함하는 채널 시스템을 포함한다. 각각의 셀 행은 제1 방향을 따라 일렬로 배열된 복수의 셀을 포함한다. 각각의 메인 채널은 냉매를 안내하도록 구성된다. 각각의 셀은 각각 제1 방향에 수직으로 배열된 평면형 전면 및 평면형 후면, 제1 측면, 제2 측면, 하부면 및 상부에 의해 형성되는 각형의 형상을 갖는다. 제1 방향으로 보았을 때, 각 셀에 대해 전면이 후면의 전방에 배치된다. 각각의 셀 행은 복수의 블록으로 구분되고, 각각의 블록은 적어도 하나의 셀을 포함한다. 각각의 블록은 전면과 후면을 가지며, 제1 방향으로 보았을 때 전면은 해당 블록의 제1 셀의 전면으로 형성되고 후면은 해당 블록의 마지막 셀의 뒷면으로 형성된다. 각각의 쿨러 빔은 평면형의 제1 측면과 평면형의 제2 측면을 갖는다. 쿨러 빔의 제1 측면(예: 전면)과 제2 측면(예: 후면)은 각각 제1 방향에 대해 수직으로 배치되고, 제1 방향으로 볼때 제1 측면은 제2 측면의 전방에 배치된다. 각각의 블록에 대해, 대응 블록의 전면은 쿨러 빔 중 하나의 제2 측면에 대해 맞닿고 그리고/또는 대응 블록의 후면은 쿨러 빔 중 다른 하나의 제1 측면에 대해 맞닿는다. 또한, 각각의 쿨러 빔에 대해, 메인 채널 중 하나가 쿨러 빔에 통합되어 열적으로 연결된다.
본 발명의 제2 실시예는 제1 실시예에 따른 적어도 하나의 전지 시스템을 포함하는 차량을 제공한다.
본 발명의 추가 측면 및 특징은 종속항 또는 다음 설명으로부터 알 수 있다.
실시예에 따른 전지 시스템은, 열 이벤트 시, 표준 셀 냉각에 사용될 수 있는 쿨러(예: 쿨러 빔)에 의해 전지 시스템 내부에서 셀을 가로지르는 열 전파를 중지시키거나 상당히 지연시킬 수 있다.
본 개시의 측면 및 특징은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세하게 설명함으로써 당업자에게 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 2는 본 발명의 전지 시스템의 실시예에서 사용될 수 있는 전지 셀의 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전지 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템의 쿨러 빔을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 시스템의 쿨러 빔을 개략적으로 도시한 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. 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.
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. 예를 들어, 제1 구성 요소가 제2 구성 요소에 "결합된" 또는 "연결된"것으로 설명되는 경우, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소에 직접 결합되거나 연결될 수 있거나, 제1 요소는 하나 이상의 개입 요소를 통해 제2 구성 요소에 간접적으로 결합되거나 연결될 수 있다.
도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타내며 중복되는 설명은 생략될 수 있다. 도면에서 요소, 층 및 영역의 상대적 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "및(그리고)/또는"이라는 용어는 하나 이상의 연관된 나열된 항목의 임의의 및 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명할 때 "할 수 있다"라는 용어는 "본 발명의 하나 이상의 실시예"를 의미한다. "적어도 하나"와 같은 표현은 구성 요소 목록 앞에 있을 때, 전체 구성 요소 목록을 수식하고 목록의 개별 요소를 수식하지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "사용하다", "사용", "사용된"은 각각 "활용하다", "활용" 및 "활용된"라는 용어와 동의어로 간주될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "실질적으로", "약" 및 이와 유사한 용어는 정도가 아닌 근사치로 사용되며, 통상의 기술자에 의해 인식될 측정된 또는 계산된 값의 내재적 편차를 설명하고자 하는 것이다. 또한, "실질적으로"라는 용어가 수치를 사용하여 표현될 수 있는 특징과 조합하여 사용되는 경우, "실질적으로"라는 용어는 값을 중심으로 한 값의 ±5 %의 범위를 나타낸다.
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. 따라서, 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.
도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징과의 관계를 설명하기 위해 "아래", "위" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어가 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 방향에 추가하여 사용 중 또는 작동 중인 장치의 다른 방향을 포함하도록 의도된 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집힌 경우 다른 요소 또는 특징 "아래" 또는 "밑"으로 설명된 요소는 다른 요소 또는 특징의 "위"를 향하게 된다. 따라서, 예시 용어 "아래"는 위와 아래의 방향을 모두 포함할 수 있다. 장치는 다른 방향(예: 90도 회전 또는 다른 방향)으로 지정될 수 있으므로 여기에 사용된 공간적 상대 용어는 그에 따라 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수형의 표현은 문맥상 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수형도 포함할 수 있다. 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.
설명을 용이하게 하기 위해, x, y, z 축을 갖는 좌표계가 도면의 적어도 일부에 제공될 수 있다. 여기서, "상부" 및 "하부"는 도면의 맥락에서 달리 명시적으로 정의하지 않는 한, x축을 기준으로 정의한다. 예를 들어, 상부 커버는 x축의 상부에 위치하고, 하부 커버는 x축의 하부에 위치한다.
기술된 본 발명의 실시예에 따른 전자 또는 전기 장치 및/또는 다른 관련 장치 또는 구성 요소는 임의의 적절한 하드웨어, 펌웨어 (예: 응용-특정 집적 회로), 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 하나의 집적 회로(IC) 칩 또는 분리된 집적 회로 칩들 상에 형성될 수 있다. 또한, 이들 장치의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름, 테이프 캐리어 패키지(TCP), 인쇄 회로 기판 상에 마련되거나 하나의 기판 상에 형성될 수 있다. 여기에 설명된 전기적 연결 또는 상호 연결은 와이어 또는 전도성 구성 요소(예: PCB 또는 다른 종류의 회로 캐리어)에 의해 실현될 수 있다. 전도성 구성 요소는 금속화(예: 표면 금속화) 및/또는 핀, 및/또는 전도성 고분자 또는 세라믹을 포함할 수 있다. 추가적인 전기 에너지는 무선 연결(예: 복사 및/또는 광 사용)을 통해 전송될 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. 또한, 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 실시예에 따른 전지 시스템은, 제1 방향을 따라 일렬로 배열된 복수의 셀을 각각 포함하는 복수의 셀 행과, 복수의 쿨러 빔, 및 복수의 메인 채널을 포함하는 채널 시스템을 포함한다. 각각의 메인 채널은 냉매를 안내하도록 구성된다. 셀 각각은 제1 방향에 대해 수직으로 배열된 평면형의 전면 및 평면형의 후면에 의해 한정되는 각형(또는 프리즘)의 형상을 가질 수 있다. 제1 방향(예: 양의 제1 방향)에서 보았을 때, 각 셀의 전면이 후면의 전방에 배치된다. 각각의 셀의 형상은 제2 방향에 대해 제1 측면 및 제2 측면에 의해, 제3 방향에 대해 바닥부를 마주하는 하부면과 상부면에 의해 추가로 한정될 수 있다. 각 셀 행은 복수의 블록으로 세분될 수 있으며, 각 블록은 적어도 하나의 셀을 포함한다. 각각의 블록은 전면과 후면을 가지며, 제1 방향으로 보았을 때 전면은 해당 블록의 제1 셀의 전면으로 형성되고, 후면은 해당 블록의 마지막 셀의 후면으로 형성될 수 있다. 각각의 쿨러 빔은 제1 방향으로 평면형의 제1 측면과 평형면의 제2 측면에 의해 한정된다. 여기서 제1 측면과 제2 측면은 각기 제1 방향으로 볼 때, 제1 방향에 대해 수직으로 배열되고 제1 측면은 제2 측면의 전방에 배치된다. 각각의 블록에 대해, 대응하는 블록의 전면은 쿨러 빔 중 하나의 제2 측면에 대해 경계가 맞닿도록 연결되고 그리고/또는 대응하는 블록의 후면은 쿨러 빔 중 다른 하나의 제1 측면에 대해 경계가 맞닿도록 연결된다. 또한, 각각의 쿨러 빔에 대해, 메인 채널 중 하나는 대응하는 쿨러 빔에 통합되어 열적으로 연결된다.
이러한 구성에서 각 블록의 전면과 후면 중 적어도 하나는 쿨러 빔의 제1 측면 또는 제2 측면과 열적으로 연결되어 쿨러 빔의 메인 채널로 냉매가 유도될 때 쿨러 빔에 의해 냉각된다. 또한, 셀 하부면의 단열로 인해 열 폭주와 같은 열 이벤트에 의해 영향을 받는 셀에서 캐리어 시스템(예: 캐리어 시스템의 베이스부)으로 열 전달이 방지되거나 적어도 지연 및/또는 감쇠될 수 있다.
제1 방향, 제2 방향 및 제3 방향은 3차원 좌표계의 직선축을 기준으로 정의될 수 있다. 좌표계는 데카르트 좌표계일 수 있다. 좌표계는 제1 축(x), 제2 축(y) 및 제3 축(z)을 가질 수 있다. 제1 방향은 제1 축(x) 방향을 향하고, 제2 방향은 제2 축(y) 방향을 향하고, 제3 방향은 제3 축(z) 방향을 향할 수 있다. 어떤 물체 또는 개체에 대해 "제1 방향을 따라 연장"이라는 용어는 해당 물체 또는 개체가 제1 축(x)에 평행하게 연장되는 것을 의미할 수 있다. 이는 제2 축(y)에 대한 제2 방향 및 제3 축(z)에 대한 제3 방향에 대해서도 마찬가지이다.
"경계가 맞닿도록 연결된다"라는 표현은 제1 물체의 평탄한 측면 및 제2 물체의 평탄한 측면과 관련하여 제1 물체의 평탄한 측면이 제2 물체의 평탄한 측면과 동일한 평면을 따라 연장되고, 제1 물체의 평탄한 측면과 제2 물체의 평탄한 측면이 적어도 부분적으로 서로 접촉하는 것을 나타낼 수 있다.
"셀"이라는 용어는 "전지 셀"을 줄여서 표현한 것이다. "셀 행"이라는 용어는 전지 셀의 행을 의미한다. 전지 셀의 행은 또한 전지 셀 스택을 의미할 수 있다. 한편, 스택에서 적어도 한 쌍의 인접한 셀은 서로 이격될 수 있다. "블록"이라는 용어는 제1 방향을 따라 배열된 여러 셀의 블록과 같이 셀 행 내의 "셀 블록"을 의미한다. 본 개시에서, 셀의 "면"은 각형 전지의 외측면(외측 표면)이다. 기본적으로 "각형"이라는 표현은 6개의 면 중 적어도 하나(예: 단자면)에 전기 하니스(단자 등)와 같은 추가 부재가 배열될 수 있음을 나타낸다. 일부 실시예에서, 셀은 동일한 형상을 가질 수 있다. 유사하게, 일부 실시예에서, 셀 행은 동일한 수의 셀을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 셀 블록은 각각 동일한 수의 셀을 포함한다. 각 블록은 하나의 셀을 포함할 수도 있고 각 블록은 2개의 셀을 포함할 수도 있다. 셀 행들은 제2 방향을 기준으로 서로 이격되어 배열될 수 있다. "냉매"라는 용어는 냉각 유체를 의미한다. 일부 실시예에서, 각각의 쿨러 빔은 각각의 셀 행과 교차한다. 각각의 쿨러 빔에서, 제1 방향에 대해 제1 측면은 제2 측면으로부터 이격된다. 각각의 쿨러 빔은 열전도성 물질로 이루어지거나 열전도성 물질을 포함한다.
본 개시의 설명 및 표현의 이해를 돕기 위해 아래의 용어가 선택된다. 예를 들어, "전면", "후면", "상부면" 및 "하부면"이라는 용어가 본 개시의 이해를 용이하게 하기 위해 선택된다. 이 용어는 도면과 도면에 표시된 좌표계와 일관되도록 사용된다. 그러나 셀 커버의 다른 방향에서 뷰어의 관점은 그에 따라 조정되어야 한다. "전면", "후면", "상부면", "하부면" 등의 표현은 "제1 면", "제2 면", "제3 면"" 및 "제4 면" 뿐만 아니라 (블록의) "제1 측면" 및 (블록의) "제2 측면" 등의 용어로 대체될 수 있다. 이러한 용어는 장치의 공간 방향과 완전히 독립적이지만 이해 가능성은 더 어려울 수 있다.
셀 각각에 대해, 셀의 상부면에 제1 단자 및 제2 단자가 배열될 수 있다. 다른 실시예를 통해 각각의 셀에 대해, 제1 단자 및/또는 제2 단자는 셀의 하부면 또는 측면 중 하나에 배열될 수도 있다.
셀의 하부면 및/또는 상부면은 평탄한 형상 또는 기본적으로(또는 실질적으로) 평탄한 형상을 가질 수 있다. 위에서 정의한 좌표계를 참조하면 하부면 및/또는 상부면이 x-y 평면에 평행하게 연장될 수 있다. 제1 측면 및/또는 제2 측면은 평탄한 형상 또는 기본적으로 평탄한 형상을 가질 수 있다. 이에 따라 하부면 및/또는 상부면은 좌표계의 x-z 평면에 평행하게 연장될 수 있다. 또한, 전면과 상부면은 각각 좌표계의 y-z 평면에 평행하게 연장될 수 있다. 또한, 베이스부는 평탄한 형상 또는 기본적으로 평탄한 형상을 가질 수 있다. 베이스부는 좌표계의 x-y 평면에 평행하게 연장될 수 있다.
쿨러 빔에서 통합된 메인 채널은 각각의 쿨러 빔의 제1 측면 또는 제2 측면 중 적어도 하나와 열적으로 접촉할 수 있다. 쿨러 빔의 일부 또는 전부에서 통합된 메인 채널은 각각의 쿨러 빔의 제1 측면 및 제2 측면과 열적으로 접촉할 수 있다. 쿨러 빔의 적어도 일부(예: 제1 쿨러 빔 및/또는 제1 방향으로 볼 때 마지막 쿨러 빔)에 통합된 메인 채널은 각 쿨러 빔의 제1 측면 및 제2 측면 중 하나에만 열 접촉할 수 있다.
셀 행은 각각 제1 방향을 따라 연장되므로 서로 평행하게 배열된다. 또한, 셀 행은 제2 방향을 따라 정렬될 수 있다. 즉, 셀 행은 제2 방향을 따라 서로 나란히 배치된다.
메인 채널(시스템)은 단일 채널 또는 파이프를 포함할 수 있으며, 다른 실시예를 통해 복수의 (서브)채널 또는 파이프를 포함할 수 있다. 후자의 실시예에서 각각의 메인 채널은 일반적으로 메인 채널 시스템으로 지칭될 수 있다. 단순화를 위해, "메인 채널"이라는 용어는 본 개시 전체에 걸쳐 사용되며 이는 복수의 (서브)채널 또는 파이프를 포함하는 실시예를 설명하기 위해서도 사용된다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 전지 시스템은 베이스부를 갖는 캐리어 프레임워크를 추가로 포함하고, 셀 각각은 베이스부로부터 단열되도록 배열된다.
베이스부는 기본적으로 제3 방향에 수직으로 연장되는 평탄형의 형상을 가질 수 있다. 또한, 각 셀에 있어 이의 하부면은 베이스부를 향할 수 있다. 셀의 하부면은 베이스부와 단열된다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 셀의 전면 및 후면 각각은 해당 셀의 제1 측면 및 제2 측면 각각보다 더 큰 면적을 갖는다.
쿨러 빔에 인접한 모든 셀은 큰 면적을 갖는 측면을 쿨러 빔에 접촉하여 각 셀과 인접한 쿨러 빔 사이에 최대 열 교환을 제공한다. 쿨러 빔이 내부에 통합된 메인 채널 시스템을 통해 흐르는 냉매에 의해 냉각될 때 셀의 넓은 면적을 통해 셀로부터 냉매로 열이 방출될 수 있기 때문에 셀은 최적으로 냉각될 수 있다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 제2 방향으로 서로 인접하게 배열된 임의의 2개의 셀에 대해, 이들 전지 중 하나의 셀의 측면은 다른 하나의 셀의 측면으로부터 열적으로 절연된다.
예를 들어, 제2 방향으로 서로 인접하게 배열된 임의의 2개의 셀은 서로 단열된다. 이러한 열 절연은 셀 중 하나의 셀에 열 이벤트가 발생하는 경우, 열 이벤트의 영향을 받는 셀에서 제2 방향으로 인접한 셀로 열 전파가 되는 것을 회피하거나 적어도 지연 및/또는 감쇠시키는데 도움이 된다. 예를 들어, 하나의 셀에서 열폭주(thermal runaway)가 발생하는 경우, 영향을 받는 셀에서 인접한 제2 방향의 셀로 진행되는 열 전파가 회피되거나 적어도 지연 및/또는 감쇠된다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 베이스부에 대한 셀 각각의 단열은 에어 갭 또는 적어도 부분적인 에어 갭에 의해 제공 및/또는 절연층을 포함한다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 제2 방향에 대해 서로 인접하게 배열된 임의의 2개의 셀 사이의 단열은 에어 갭 또는 적어도 부분적인 에어 갭에 의해 제공 및/또는 절연층을 포함한다.
셀의 하부면뿐만 아니라 셀의 측면에 대한 최적의 단열은 이 단열에 의해 제공된다. 일부 실시예에서, 단열은 에어 갭에 의해 제공된다. 그러나 두 구성 요소 간의 접촉을 완전히 피할 수 없는 경우(예: 기계적 안정성을 위해 필요한 기계적 연결로 인해) 접촉을 최소로 줄일 수 있다. 또한 열전도율이 다소 낮은 물질을 포함하는 층이 우수한 단열을 달성하기 위해 포함될 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 중간 블록의 전면은 쿨러 빔 중 하나의 제2 측면에 대해 경계가 맞닿도록 연결되고, 각각의 중간 블록의 후면은 쿨러 빔 중 다른 하나의 제1 측면에 대해 경계가 맞닿도록 연결된다. 여기 및 이하 개시에서 "중간 블록"이라는 용어는 제1 방향에 대해(즉, 제1 방향으로 볼때) 셀 행의 제1 블록 및 마지막 블록을 제외한 모든 블록을 의미한다. 또한, "엔드 블록"이라는 용어는 제1 방향에 대해 셀 행의 제1 블록 및 마지막 블록(또는 위에서 정의된 바와 같이 중간 블록이 아닌 모든 블록)을 각각 지칭할 것이다.
일부 실시예에서, 모든 블록은 제1 방향에 대해 동일한 치수를 갖는다(즉, 모든 블록은 제1 방향을 따라 측정될 때 동일한 크기를 갖는다). 일 실시예에서, 모든 블록은 동일한 수의 셀을 포함한다. 일 실시예에서, 모든 셀은 동일한 형상이다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 각각의 쿨러 빔은 각각의 전지 행의 적어도 하나의 블록의 전면 및 후면 중 하나에 경계가 맞닿도록 연결된다.
다양한 실시예에서, 각 중간 쿨러 빔은 그것의 제1 측면 및 제2 측면 모두가 각 셀 행의 종방향 중심축에 의해 교차되도록 배열된다. 여기 및 이하 개시에서, "중간 쿨러 빔"이라는 용어는 제1 방향에 대해 2개의 블록 사이에 배열된 임의의 쿨러 빔을 지칭한다. 또한, "엔드 쿨러 빔"이라 함은 제1 방향에 대하여 제1 쿨러 빔 및 마지막 쿨러 빔 중 어느 하나를 말한다.
일 실시예에서, 각각의 쿨러 빔은 - 엔드 쿨러 빔을 제외하고 - 각각의 셀 행의 한 블록의 후면과 그 셀의 다음 블록의 전면(제1 방향에 대해) 중 하나에 경계가 맞닿도록 연결된다.
일 실시예에서, 제1 쿨러 빔(제1 방향에 대해)은 각 셀 행의 제1 블록의 전면에 대해 (제2 측면과 함께) 경계가 맞닿도록 연결된다. 또한, 일 실시예에서, 마지막 쿨러 빔(제1 방향에 대해)은 각 셀 행의 마지막 블록의 후면에 대해 (제1 측면과 함께) 경계가 맞닿도록 연결된다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 모든 셀 행은 동일한 수의 블록을 포함한다. 또한, 제1 방향으로 보았을 때, 각각의 셀 행에 대해, 제1 블록의 후면은 쿨러 빔 중 하나의 제1 측면과 경계가 맞닿도록 연결되고 마지막 블록의 전면은 클러 빔 중 하나의 제2 측면과 경계가 맞닿도록 연결된다. 셀 행 중 하나에서, 제1 방향으로 볼 때, 제1 블록과 대응하는 셀 행의 마지막 블록 사이에 배열되는 각각의 블록에 대해, 블록의 전면은 쿨러 빔 하나의 제2 측면에 경계가 맞닿도록 연결되고, 해당 블록의 후면은 쿨러 빔 중 하나의 제1 측면과 경계가 맞닿도록 연결된다.
다양한 실시예에서, 각각의 중간 블록은 자신의 전면을 쿨러 빔에 접하고, 후면은 다른 쿨러 빔에 접한다. 따라서 냉매가 메인 채널을 통해 빔을 통해 안내될 때 각 중간 블록은 전면과 후면에서 냉각된다. 또한, 엔드 블록 중 임의의 하나는 전면 및 후면 중 적어도 하나를 쿨러 빔에 맞닿는다. 따라서, 냉매가 메인 채널을 따라 쿨러 빔을 통해 안내될 때, 각각의 엔드 블록은 전면 및 후면 중 적어도 하나에서 냉각된다.
제1 방향에 대해, 제1 쿨러 빔은 각각의 제1 블록 앞에 배치되고, 각각의 제1 블록의 전면은 제1 쿨러 빔의 제2 측면에 경계가 맞닿도록 연결된다. 제1 방향에 대해, 마지막 쿨러 빔은 각각의 마지막 블록 뒤에 배치되고, 각각의 마지막 블록의 후면은 마지막 쿨러 빔의 제1 측면에 경계가 맞닿도록 연결된다. 따라서 냉매가 메인 채널을 따라 쿨러 빔을 통해 안내될 때 각 엔드 블록은 전면과 후면에서 냉각된다.
제1 방향에 대해 이웃하는 임의의 2개의 쿨러 빔에 대해(즉, 제1 방향을 따라 연속적으로 배열된 임의의 2개의 쿨러 빔에 대해), 이들 2개의 이웃하는 쿨러 빔 사이에 배열된 셀은 하나의 그룹(셀 그룹)으로 함께 그룹화될 수 있으며, 이 그룹의 셀은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 각각의 셀에 대해, 제1 단자는 음극 단자이고, 제2 단자는 양극 단자일 수 있다. 그러나, 다른 실시예를 통해 제1 단자는 양극 단자일 수 있고, 제2 단자는 음극 단자일 수 있다. 반면, 어느 실시예에서든, 각각의 그룹에 대해, 그룹 내의 셀이 제1 셀에서 마지막 셀로 순서가 지정되도도록 셀의 순서(시퀀스)가 정의(예: 선택)될 수 있고, 그룹 내의 마지막 셀을 제외한 그룹 내의 각 셀의 제2 단자는 선택된 번호에 따라 그룹 내의 다음 셀의 제1 단자에 연결될 수 있다. 그런 다음, 그룹 내 임의의 셀의 각 단자는 제1 셀의 제1 단자와 마지막 셀의 제2 단자를 제외하고 그룹 내의 다른 셀에 연결된다. 또한, 그룹 내의 제1 셀의 제1 단자는 다른 그룹의 마지막 셀의 제2 단자에 연결되거나 전지 시스템의 제1 단자(예: 제1 최종 단자)의 역할을 할 수 있다. 또한, 그룹 내의 마지막 셀의 제2 단자는 다른 그룹의 제1 셀의 제1 단자에 연결될 수 있거나 전지 시스템의 제2 단자(예: 제2 최종 단자)의 역할을 할 수 있다. 따라서, 셀 그룹은 하나의 전기 연결부만으로 다른 셀 그룹과 연결될 수 있다. 따라서, 제1 방향에 대해 서로 이웃하는(쿨러 빔에 의해서는 서로 분리된) 임의의 2개의 셀 그룹은 인접한 셀 그룹 사이의 쿨러 빔에 열적으로 연결될 수 있도록 배열된 버스 바와 같은 단일의 전기 연결부를 사용하여 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 전기 연결부는 쿨러 빔의 상부면 또는 하부면에 맞닿을 수 있다. 다른 실시예에서, 전기 연결부는 쿨러 빔을 통과할 수 있다. 이러한 실시예에서, 전기 연결부는 각각의 쿨러 빔에 통합된 메인 채널로부터 전기적으로 분리(또는 격리)되어야 한다.
서로 다른 셀 행의 셀들이 하나의 그룹으로 형성되기 때문에 이웃하는 두 쿨러 빔 사이의 셀은 셀 행을 가로질러 서로 전기적으로 연결된다. 셀 사이의 연결은 버스 바에 의해 제공될 수 있다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 각각의 블록은 최대 2개의 전지를 포함할 수 있다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 각각의 블록은 단일 전지를 포함한다.
예를 들어, 일 실시예에서, 임의의 셀 행의 각 블록에 있는 셀의 수는 1개 또는 2개이다. 일 실시예에서, 임의의 셀 행 각각의 블록에 있는 셀의 수는 2와 같다. 또한, 다른 실시예에서, 임의의 셀 행 각각의 블록에 있는 셀의 수는 1과 같다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 쿨러 빔에 경계가 맞닿도록 연결되는 블록의 제1 및 제2 측면 각각은 각각의 쿨러 빔에 기계적으로 고정된다. 예를 들어, 블록의 제1 측면 또는 제2 측면은 각각의 쿨러 빔에 부착될 수 있다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 다른 셀에 대해 경계가 맞닿도록 연결되는 셀의 제1 및 제2 측면 각각은 각각의 쿨러 빔에 기계적으로 고정된다. 예를 들어, 셀의 제1 면 또는 제2 면이 다른 셀에 접착될 수 있다.
쿨러 빔은 각각 기계적으로 안정적인 재료를 포함할 수 있다. 쿨러 빔은 각각 열전도성 재료를 포함할 수 있다. 쿨러 빔은 각각 강철로 만들어질 수 있거나 강철을 포함할 수 있다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 각각의 쿨러 빔은 제2 방향을 따라 연장되는 파이프를 포함한다. 파이프는 외부 표면에 형성된 평탄한 제1 측면부를 가질 수 있다. 이 제1 측면부는 쿨러 빔의 평탄한 제1 측면을 형성한다. 또한, 파이프는 외부 표면에 형성된 평탄한 제2 측면부를 가질 수 있다. 이 제2 측면부는 쿨러 빔의 평탄한 제2 측면을 형성한다.
일부 실시예에서, 쿨러 빔에 통합된 메인 채널 시스템은 각각의 파이프에 의해 형성된다. 파이프는 (제3 방향에 대해) 하부면(또는 바닥부)과 상부면(또는 상단부)을 각각 가질 수 있다. 상부면은 파이프의 상부 영역에서 제1 측면부와 제2 측면부를 서로 연결(또는 그 사이에서 연장)한다. 예를 들어, 상부면은 제1 측면부 및 제2 측면부의 상부 가장자리를 서로 연결한다. 하부면은 파이프의 하부 영역에서 제1 측면부와 제2 측면부를 서로 연결한다. 예를 들어, 하부면은 제1 측면부와 제2 측면부의 하단 가장자리를 서로 연결한다. 파이프의 하부면과 상부면은 각각 평평한 외부 표면을 가질 수 있다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 각각의 쿨러 빔은 2개의 단열층 사이에 배열된 알루미늄 쿨러 코어를 포함한다. 단열층은 운모층일 수 있다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 알루미늄 쿨러 코어는 제1 벽 및 제2 벽을 갖는다. 제1 벽 및 제2 벽은 각각 제2 방향을 따라 연장되고 제1 방향에 대해 서로 대향 배치된다. 제1 방향으로 볼 때, 제1 벽은 제2 벽의 전방에 배치된다.
제1 벽은 제1 방향에 대향하는 평탄한 측면을 가질 수 있고, 이 편평한 측면은 알루미늄 쿨러 코어를 포함하는 쿨러 빔의 평탄한 제1 측면을 형성할 수 있다. 이에 상응하여, 제2 벽은 제1 방향을 향하는 평탄한 측면을 가질 수 있고, 이 평탄한 측면은 알루미늄 쿨러 코어를 포함하는 쿨러 빔의 평탄한 제2 측면을 형성할 수 있다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 쿨러 빔 각각에 대해, 이 빔에 통합된 메인 채널은 각각 제2 방향을 따라 연장되고 제2 방향을 향하는 제1 벽의 측면에 배열되는 적어도 하나 이상의 제1 냉각 파이프와, 각각 제2 방향을 따라 연장되고 제1 방향을 향하는 제2 벽의 측면에 배치되는 적어도 하나의 제2 냉각 파이프를 포함한다.
예를 들어, 알루미늄 쿨러 코어의 벽의 각 내측면에 하나 이상의 냉각 파이프가 배열된다. 냉각 파이프는 각각 냉매를 알루미늄 쿨러 코어의 벽의 내부 근처로 안내한다. 냉각 파이프는 알루미늄으로 만들어질 수 있다. 냉각 파이프는 알루미늄 쿨러 코어의 벽의 내측면에 용접 등에 의해 직접 연결 또는 고정될 수 있다. 이를 통해 알루미늄 쿨러 코어의 벽과 냉각 파이프에서 흐르는 냉매 사이에 좋은 열 전달이 제공될 수 있다.
일부 실시예에 따른 메인 채널에서 제1 냉각 파이프의 개수는 제2 냉각 파이프의 개수와 동일할 수 있다. 메인 채널은 다수의 쌍을 포함할 수 있으며, 각 쌍은 하나의 제1 냉각 파이프와 하나의 제2 냉각 파이프를 포함한다. 각각의 쌍에서, 제1 및 제2 냉각관은 서로 대향하여 배열될 수 있다. 예를 들어, 해당 쌍의 제1 냉각 파이프의 길이 방향 중심축과 해당 쌍의 제2 냉각 파이프의 길이 방향 중심축은 위에서 정의한 좌표계의 x-y 평면에 평행한 동일한 평면에 배열될 수 있다.
전지 시스템의 일 실시예에서, 제1 벽과 제2 벽은 로드 또는 리브에 의해 서로 연결되고, 각각의 로드 또는 리브는 제1 냉각 파이프 중 하나와 제2 냉각 파이프 중 하나 사이에서 연장된다.
이로써, 각각의 로드 또는 리브는 제2 벽을 향하는 제1 냉각 파이프의 일부와 제1 벽을 향하는 제2 냉각 파이프의 일부 사이에서 연장된다. 일 실시예에서, 로드는 각각 제1 방향에 평행하도록 길게 연장된 형상을 갖는다. 일 실시예에서, 리브는 각각 제1 방향에 평행하고 제2 방향에 평행하게 연장되는 평탄한 형상을 갖는다.
전지 시스템의 실시예에서, 쿨러 빔 중 하나에 의해 서로 분리되고 전기 연결부에 의해 서로 전기적으로 연결된 임의의 2개의 블록에 대해, 전기 연결부는 이들 블록을 분리하는 쿨러 빔에 열적으로 연결된다.
전기 연결부는 와이어 또는 버스 바일 수 있다. 와이어 또는 버스 바는 이 와이어 또는 버스 바에 의해 서로 전기적으로 연결된 블록을 분리하는 쿨러 빔의 상부면 또는 하부면에 부착될 수 있다. 다른 실시예에서, 이 와이어 또는 버스 바는 쿨러 빔을 통과할 수 있다. 물론 이러한 실시예에서, 와이어 또는 버스 바는 각각의 쿨러 빔에 통합된 메인 채널로부터 전기적으로 분리되어야 한다.
일부 실시예에서, 각각의 메인 채널은 유입구와 배출구를 포함한다. 다양한 실시예에서, 메인 채널의 일부 또는 전부는 각각 복수의 (서브)채널 또는 파이프를 포함하고, 각각의 메인 채널의 유입구는 해당 메인 채널의 각 (서브)채널 또는 파이프에 냉매를 공급하도록 구성될 수 있고, 각각의 메인 채널의 배출구는 메인 채널의 각각의 (서브)채널 또는 파이프로부터 받는 냉매를 배출하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 전지 시스템은 냉매 공급 채널 및 냉매 배출 채널을 더 포함한다. 각 메인 채널의 유입구는 냉매 공급 채널과 연결(또는 유체 연통)하고 메인 채널 시스템의 배출구는 냉매 배출 채널과 연결된다. 이에 따라 각 메인 채널은 공급 채널로부터 냉매를 공급받을 수 있고, 각 메인 채널은 배출 채널로 냉매를 배출할 수 있다. 예를 들어, 메인 채널은 채널 시스템 내에서 병렬로 연결된 것으로 간주될 수 있다. 공급 채널은 냉각 시스템용 공급 장치에 연결되도록 구성된 유입구를 포함할 수 있다. 배출 채널은 배출되는 냉매를 수용하는 냉각 시스템의 냉매 수용부와 연결되는 배출구를 포함할 수 있다. 공급 채널 및 배출 채널은 전지 시스템의 채널 시스템의 구성일 수 있다.
일 실시예에서, 제1 방향으로 볼 때, 마지막 메인 채널을 제외한 각각의 메인 채널의 배출구는 연결 채널을 통해 다음 메인 채널(예: 제1 방향에 대해 다음 메인 채널)의 유입구와 연결된다. 따라서, 제1 메인 채널의 입구로 공급되는 냉매는 이어지는 각 메인 채널을 통해 연속적으로 흐를 수 있다. 마지막 메인 채널을 통과한 후 냉매는 마지막 메인 채널의 배출구를 통해 배출된다. 따라서, 메인 채널은 채널 시스템 내에서 직렬로 연결된 것으로 간주될 수 있다.
제1 메인 채널의 입구는 냉각 시스템의 공급부에 연결되도록 구성될 수 있다. 마지막 메인 채널의 배출구는 배출되는 냉매를 수용하는 냉각 시스템의 냉매 수용부에 연결되도록 구성될 수 있다.
또한, 메인 채널의 유입구 및 배출구는 제1 방향으로 볼 때, 제2 방향과 반대 방향을 향하는 메인 채널의 단부에 유입구 및 배출구가 교대로 배열되도록 배열될 수 있다. 또한 유입구와 배출구는 제1 방향으로 볼 때, 제2 방향을 향하는 메인 채널의 단부에 교대로 배열될 수 있다. 연결 채널은 각각 전지 시스템의 채널 시스템의 구성일 수 있다. 따라서, 이러한 실시예에서, 채널 시스템은 구불구불한(또는 사행) 형상을 갖는다.
각각의 설명된 측면 및 실시예에서, "배출구"와 "유입구"의 역할은 전환될 수 있다. 즉, 위의 설명에서 임의의 "유입구"는 "배출구"로 간주될 수 있고 임의의 "배출구"는 "유입구"로 간주될 수 있다. 상술한 채널 시스템의 토폴로지(예를 들어, 설명된 가능성 및 채널 시스템의 다양한 채널이 특수한 기하학적 디자인에 관계없이 서로 연결될 수 있는 방법)는 이러한 유입구 배출구의 전환에 의해 영향을 받지 않는다. 그러나 해당되는 경우 전지 시스템의 공급 채널과 배출 채널의 역할을 적절하게 교환(또는 역전)해야 할 수도 있다.
일 실시예에서, 전지 시스템은 활성화 및 비활성화되도록 구성되는 냉각 시스템과, 전지 관리 유닛(Battery Management Unit, BMU), 및 셀의 일부 또는 전부에 대해 셀에서 열 이벤트가 발생하는지 여부를 검출하도록 구성된 검출 시스템을 포함한다. 감지 시스템은 열 이벤트가 감지되었을 때 전지 관리 유닛에 신호를 보내도록 추가로 구성된다. 또한, 전지 관리 유닛은 감지 시스템으로부터 신호를 수신하고 감지 시스템으로부터 신호를 수신하면 냉각 시스템을 활성화하도록 구성된다. 냉각 시스템은 활성화될 때 각각의 메인 채널에 냉매를 공급하도록 추가로 구성된다.
열 이벤트는 예를 들어 열 폭주일 수 있다. 온도 이벤트는 임계 온도 값(예를 들어, 미리 결정되거나 설정된 임계 온도 값)을 충족하거나 초과함으로써 정의될 수 있다. 열 이벤트 감지는 전지 시스템의 셀 온도가 임계 온도 값을 초과하는지 여부를 감지하는 것으로 이룰 수 있다.
본 발명의 제2 실시예는 전술한 바와 같은 적어도 하나의 전지 시스템을 포함하는 차량을 제공한다.
차량에서, 전지 시스템은 쿨러 빔이 차량의 정상 주행 방향에 대해 수직 또는 기본적으로 수직하게 연장되도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 쿨러 빔은 각각 크로스 빔으로 구성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예를 통해 쿨러 빔은 예를 들어 종방향 빔으로서 각각 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 쿨러 빔은 블록에 대한 제3 방향에 대해 배치되어 각각의 블록에 대해, 해당 블록의 전체 전면이 쿨러 빔 중 하나의 제2 측면에 경계가 맞닿도록 연결 및/또는 해당 블록의 전체 후면이 다른 쿨러 빔 중 하나의 제1 측면에 경계가 맞닿도록 연결된다. 따라서 블록의 각 전면 또는 후면과 해당 측면에 경계가 맞닿도록 연결되는 쿨러 빔 사이에 최대의 기계적 접촉이 이루어지고, 그 결과 블록의 각 전면 또는 후면과 측면에 경계가 맞닿도록 연결되는 쿨러 빔 사이에 최대의 열 전달이 달성될 수 있다.
일반적으로, 실시예의 측면 및 특징 중 일부는 다음과 같이 요약될 수 있다. 셀 하단에 제공되는 기존의 냉각 방식 대신 쿨러 빔이 셀 행을 교차하도록(또는 가로지르도록) 설치된다. 예를 들어, 모든 셀 또는 모든 2개의 셀 마다 얇은 쿨러 빔이 각 셀 행 또는 셀 행의 적어도 일부를 가로지른다. 따라서, 특정 수의 셀을 냉각하거나 큰(또는 긴)이면 중 하나에 있는 각각의 셀을 냉각할 수 있다. 셀 중 하나(또는 그 이상)에서 열 폭주가 발생하는 경우, 전지 시스템에 외부 장치로 연결되거나 전지 시스템에 통합된 BMU가 열 폭주를 감지하여 차량을 경고하고 능동 냉각을 요구(예: 활성화)한다. 능동 냉각은 열 폭주에 의해 영향을 받는 셀에서 생성된 에너지를 제거하고 셀 행의 인접한 셀을 보호하는데 도움이 된다. 셀의 긴 면은 가장 큰 면을 가져 셀 내부의 양극/음극 스택 또는 젤리 롤에 대해 가장 높은 열전도율을 가질 수 있다. 상대적으로 셀의 작은 면과 바닥면은 예를 들어 공기 또는 최소한의 접촉을 통해 가능한 한 다른 기계 구조와 격리되어야 한다. 셀은 쿨러에 기계적으로 연결될 수 있으며, 이는 기계적인 가로 지지대의 역할도 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 시스템의 평면도로서, 편의상 하우징이 생략되었으며, 설명의 용이를 위한 설명의 편의를 위해 x, y 및 z축을 갖는 데카르트 좌표계가 되었다. 도 1의 x-y 평면은 도면의 평면과 동일하며 z축은 도면에 수직하다.
예시된 실시예에서, 전지 시스템(110)은 3개의 전지 셀(이하에서 간단히 "셀 행"이라 칭함)을 갖는다. 전지 시스템(110)은 제1 셀 행(810), 제2 셀 행(820) 및 제3 셀 행(830)을 갖는다. 각각의 셀 행(810, 820, 830)은 점선 경계를 갖는 직사각형으로 개략적으로 표시된 바와 같이 좌표계의 x 방향에 평행한 방향으로 연장된다. 모든 전지 셀의 외형은 동일하다. 제1 셀 행(810)은 인덱스 i∈{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}을 갖는 복수의 셀(80i1)을 포함한다. 또한, 제2 셀 행(820)은 인덱스 i∈{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}을 갖는 복수의 셀(80i2)을 포함한다. 유사하게, 제3 셀 행(830)은 인덱스 i∈{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}을 갖는 복수의 셀(80i3)을 포함한다. 그러나, 각각의 셀 행(810, 820, 830)은 도 1에 도시된 것보다 더 많거나 더 적은 전지 셀(이후에는 간단히 "셀"이라고도 함)을 포함할 수 있다. 예를 들어, x 방향으로 보았을 때 각각의 마지막 셀(8081, 8082, 8083) 뒤에 추가 셀이 각각의 셀 행(810, 820, 830)에 배열될 수 있다(도 1에서 점선 사각형의 좌측 상단 부분에 있는 점선 참조).
제1 셀 행(810), 제2 셀 행(820) 및 제3 셀 행(830)의 셀은 각각의 측면이 서로 대향하도록 y 방향을 따라 나란히 나열된다. 따라서, 각각의 셀(80ij)은 x 방향으로 볼 때, 각각의 셀 행에서 셀의 위치를 나타내는 참조 부호(80ij)의 제1 인덱스 i에 의해 x 방향에 대한 위치가 식별될 수 있고, y 방향을 따라 카운트되는 제2 인덱스 j에 의해 y 방향에 대한 위치가 의해 식별될 수 있다.
전지 시스템에 포함될 수 있는 전지 셀의 일 실시예가 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 도 2는 개별 전지 셀(80)을 도시한 사시도이다. 전지 셀(80)은 도 1을 통해 설명한 같이 전지 시스템(110)에서 동일한 형태의 셀(80ij)(i ∈ {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}, j ∈ {1, 2, 3}) 중 임의의 하나일 수 있다. 전지 셀(80)은 각형(예: 직육면체)의 형상을 갖는다. 따라서, 전지 셀(80)은 6개의 측면 즉, 셀 본체에 대해 바닥면에 대향하여 배열된 상부면(84), 제1 측면(86), 제1 측면에 대향하여 배열된 제2 측면은 후면에 대향하여 배치된 전면(88)을 갖는다. 각각의 측면은 평면 형상을 갖는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전면(88)(및 전면(88)과 합동인 후면)의 면적(예: 표면적)은 상부면(84) 및 제1 측면(86) 중 어느 하나보다 크며 이에 따라 전면(88)은 제1 측면(86)과 합동인 제2 측면 및 상부면(84)과 합동인 바닥면 중 어느 하나보다 크다.
전지 셀(80)의 상부면(84)(예: z 방향을 향하는 전지 셀의 측면)에는 제1 단자(81)와 제2 단자(82)가 배치된다. 양 단자(81, 82)는 전지 셀(80)의 전기적 연결을 가능하게 한다. 제1 단자(81)는 전지 셀(80)의 음극 단자이고, 제2 단자(82)는 전지 셀(80)의 양극 단자일 수 있다. 따라서, 상부면(84)은 이하에서 전지 셀(80)의 "단자 측"으로도 지칭될 수 있다. 단자 측(84)에서 제1 단자(81)와 제2 단자(82) 사이에는 벤팅 배출구(83)가 배치될 수 있다. 벤팅 배출구(83)는 전지 셀(80) 내부에서 열 폭주와 같은 열 이벤트의 발생 시 전지 셀(80) 내부에서 발생되는 벤트 가스를 전지 셀(80)로부터 배출하도록 구성된다. 벤트 가스는 벤팅 배출구(83)를 통해 배출되기 전에 전지 셀(80) 내부에 배치된 벤팅 밸브를 통과할 수 있다. 이와 같이 구성되는 전지 셀(80)이 x 방향을 따라 복수로 적층되어 도 1에 도시된 3개의 스택 중 임의의 하나일 수 있는 전지 셀의 스택으로 생성된다. 따라서, 도 1에 도시된 각 셀(80ij)은 도 2의 좌표계에 의해 지시된 바와 같이 배향될 수 있다. 예를 들어, 각 셀(80ij)의 전면 및 후면은 x 방향을 향하고, 각 셀(80ij)의 제1 측면 및 제2 측면은 y 방향을 향하며, 각 셀(80ij)의 저면 및 상면은 z 방향을 향한다.
도 1에 도시된 전지 시스템(110)에는 복수의 쿨러 빔(cooler beam)이 배열된다. 쿨러 빔은 x 방향을 따라 순차적으로 배열되고 y 방향을 따라 각각 연장되는 제1 쿨러 빔(201), 제2 쿨러 빔(202), 제3 쿨러 빔(203) 및 제4 쿨러 빔(204)을 포함한다. 각각의 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)은 도면 평면에 수직(예를 들어, y-z 평면에 평행)하고 x 방향에 대향하는 평탄한 제1 측면 및 도면 평면에 수직하고 x 방향을 향하는 평탄한 제2 측면을 갖는다. 따라서, 각 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)의 제1 및 제2 측면 각각은 전지 시스템(110)의 각 셀(80ij)의 전면 및 후면 각각에 평행하게 배치된다.
또한, 각각의 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)은 각각의 셀 행(810, 820, 830)과 교차한다. 예를 들어, 셀 행(810, 820, 830)은 각각의 셀 행(810, 820, 830)에서 각각의 제1 셀(8011, 8012, 8013)이 x 방향을 따라 각각의 제2 셀(8021, 8022, 8023)로부터 분리되도록 제1 쿨러 빔(201)과 교차된다. 유사하게, 셀 행(810, 820, 830)은 k번째 쿨러 빔(20k)(k ∈ {2, 3, 4})에 의해 교차되어 각 셀 행(810, 820, 830)에서, 각각의 (2k-1)번째 셀(80(2k-1),1, 80(2k-1),2, 80(2k-1),3)은 x 방향을 따라 각각의 후속 (2k)번째 셀(80(2k),1, 80(2k),2, 80(2k),3)로부터 분리된다(여기서 전지 셀을 구분하는 참조 기호의 첫번째 및 두번째 인덱스는 혼동을 피하기 위해 쉼표로 구분됨). 이 방식은 셀(8081, 8082, 8083) 뒤로(예를 들어, 도면에 도시된 마지막 셀 뒤로) x 방향을 따라 배열될 수 있는 추가 쿨러 빔 및 셀에 상응하여 적용될 수 있다.
전술한 배열로 인해, 각각의 셀 행(810, 820, 830)은 여러 개의 셀 블록(이하 "블록"이라고도 함)으로 분할된다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 제1 셀 행(810)은 단 1개의 셀(8011)을 포함하는 제1 셀 블록, 2개의 셀(8021, 8031)을 포함하는 제2 셀 블록, 2개의 셀(8041, 8051)을 포함하는 제3 셀 블록, 2개의 셀(8061, 8071)을 포함하는 제4 셀 블록으로 및 단 1개의 셀(8081)을 포함하는 제5 셀 블록(예: 도 1의 제1 셀 행(810)에 있어 도시된 마지막 셀 블록)으로 분할된다. 상승하는 방식으로 제2 셀 행(820) 및 제3 셀 행(830)도 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)에 의해 분할된다.
도 1를 통해 더욱 알 수 있는 바와 같이, 각각의 중간 블록, 예를 들어, 각 셀 행(810, 820, 830)의 첫 번째 블록 및 마지막 블록을 제외한 각 블록은 그 전면(x 방향에 대해 각각의 블록에서 제1 셀의 전면에 의해 형성됨)을 쿨러 빔(201, 202, 203, 204) 중 하나의 제2 측면에 대해 경계가 맞닿도록 연결되고, 유사하게 각 블록은 그 후면(x 방향에 대해 각각의 블록에서 마지막(제2) 셀의 후면에 의해 형성됨)을 쿨러 빔(201, 202, 203, 204) 중 다른 하나의 제1 측면에 대해 경계가 맞닿도록 연결된다. 셀(80ij)과 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)의 전술한 배열로 인해, 각각의 중간 블록은 확실히 2개의 전지 셀을 포함한다. 또한, 이들 2개의 전지 셀 각각은 쿨러 빔(201, 202, 203, 204) 중 하나의 전면 또는 후면 중 하나에 확실히 접한다. 이에 따라서 쿨러 빔이 전지 셀 보다 더 낮은 온도를 가질 때 각 전지 셀은 인접한 쿨러 빔에 의해 냉각될 수 있다. 이러한 냉각은 도 5a 및 도 5b를 통해 보다 상세히 후술하게 될 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)을 통해 안내되는 냉매를 갖는 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)에 의해 달성될 수 있다.
중간 블록, 예를 들어, 각 셀 행(810, 820, 830)의 제2, 제3 및 제4 블록과 달리, 각 셀 행(810, 820, 830)의 (x 방향 기준) 제1 블록은 각기 하나의 전지 셀(8011, 8012, 8013)만을 포함한다. 도 1를 통해 알 수 바와 같이, 이들 각각의 전지 셀(8011, 8012, 8013)의 후면은 제1 쿨러 빔(201)의 제1 측면에 경계가 맞닿도록 연결된다. 따라서, 이들 각각의 전지 셀(8011, 8012, 8013)은 제1 쿨러 빔(201)이 셀보다 낮은 온도를 가질 때 제1 쿨러 빔(201)에 의해 냉각될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 각 셀 행(810, 820, 830)의 마지막으로 도시된 블록도 유사한 방식으로 클러 빔과 접하게 된다. 즉, 마지막 블록의 각각의 전지 셀(8081, 8082, 8083)의 전면은 제4 쿨러 빔(204)의 제2 측면에 대해 경계가 맞닿도록 연결된다. 따라서, 이들 전지 셀(8081, 8082, 8083) 각각은 제4 쿨러 빔(204)이 전지 셀보다 낮은 온도를 가질 때 제4 쿨러 빔(204)에 의해 냉각될 수 있다.
쿨러 빔과 인접한 셀 사이의 최대 열 교환을 달성하려면 쿨러 빔과 셀 사이의 긴밀한 기계적 접촉이 쿨러 빔이 셀에 접하는 영역에서 제공되어야 한다. 따라서, 셀은 쿨러 빔의 제1 측면 또는 제2 측면에 경계가 맞닿도록 연결될 수 있도록 그 전면 또는 후면을 쿨러 빔에 기계적으로 고정시킬 수 있다. 여기서 기계적 고정은 예를 들어 접착제를 사용하여 달성할 수 있다.
이미 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이, 각 셀의 전면과 후면은 제1 측면과 제2 측면뿐만 아니라 상면과 하면 중 어느 하나에 비해 면적이 가장 큰 셀의 측면이다. 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 각 전지 셀(80ij)의 전면 또는 후면 중 어느 하나가 쿨러 빔(201, 202, 203, 204) 중 하나에 접하기 때문에, 전지 셀과 접하는 쿨러 빔 사이에 열 교환을 위해 상대적으로 넓은 영역이 제공되며, 쿨러 빔이 셀보다 낮은 온도를 가질 때 셀의 우수한 냉각을 가능하게 해줄 수 있다.
셀(80ij)과 케이싱 또는 하우징과 같은 쿨러 빔 이외의 전지 시스템의 부품 사이의 열 교환은 가능한 한 낮게 유지되어야 한다. 예를 들어, 이미 도입부에서 설명한 바와 같이 화염은 가능한 한 전지 시스템 내에서 퍼져 나가지 않아야 한다. 따라서, 각 셀(80ij)의 전면 및 후면을 제외한 다른 모든 측면은 주위 환경으로부터 단열되어야 한다.
이를 위해, y 방향으로 이웃하는 임의의 두 셀 사이에는 공간 또는 에어 갭이 제공될 수 있다. 이에 따라 도 1에 도시된 실시예의 전지 시스템(110)에서 셀 행(810, 820, 830)은 y 방향에 대해 서로 이격되도록 배열된다. 도 1에서 점선 라인 b12로 표시된 제1 셀 행(810)의 셀(80i1)(i ∈ {1, 2, …, 8})과 이에 대향하는 각각의 셀(80i2(i ∈ {1, 2, …, 8})) 사이에 공간 또는 공극이 배치된다. 이에 대응하여 도 1에서 점선 라인 b23로 표시된 제2 셀 행(820)의 셀(80i2)(i∈{1, 2, …, 8})과 이에 대향하는 제3 셀 행(830)의 셀(80i3) i ∈ {1, 2, …, 8}) 사이에도 공간 또는 공극이 배치된다. 예를 들어, 도 1의 평면도에서 좌측 하단 모서리에 도시된 셀(8011)은 공간 또는 에어 갭(G1112)에 의해 인접한 셀(8012)과 분리된다.
전지 시스템(110)은 셀(80ij)뿐만 아니라 쿨러 빔 및 전지 시스템(110)의 다른 장비(미도시)를 지지하는 베이스부를 포함하는 캐리어 프레임워크 상에 배열될 수 있다. 이 경우 셀(80ij)은 공간 또는 에어 갭에 의해 베이스부로부터 분리된다. 그러나, 기계적 안정성을 제공하기 위해 도시하지 않은 지지체가 베이스부로부터 z 방향으로 돌출되어 셀(80ij)의 저면에 기계적으로 연결될 수 있다. 따라서, 셀(80ij)의 바닥면과 베이스부 사이의 기계적 연결이 최소로 감소되고, 이로 인해 셀(80ij)과 베이스부 사이의 열 교환도 감소되거나 최소화된다.
전지 시스템이 z 방향에 대해 셀(80ij) 위에 배열된 커버(미도시)를 갖는 하우징에 배열될 때, 커버는 각 셀(80ij)의 상면과 거리를 두도록 예를 들어, 이격되도록 위치되어야 한다. 이러한 관계는 하우징의 측벽과 관련하여 쿨러 빔이 인접한 하우징의 측벽과 사이에 배치되는 않는 경우, 셀 행(810, 820, 830)의 제1 셀(8011, 8012, 8013)의 전면은 물론, 각 셀 행(810, 820, 830)의 마지막 셀의 후면에도 유사한 방식으로 적용된다.
전지 시스템에서 셀들은 서로 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 셀은 직렬 및/또는 병렬로 서로 연결될 수 있다. 일부 실시예를 통해, 전지 시스템 내에서 여러 개의 셀 그룹이 형성될 수 있고(예를 들어, 전지 셀의 각 스택의 셀은 하나의 그룹을 형성할 수 있음), 각 그룹의 셀은 서로 직렬로 연결될 수 있다. 또한 그룹은 서로 병렬로 연결될 수 있다. 도 1에 도시된 전지 시스템(110)에서, 셀(80ij)은 직렬로 연결된다. 전기적 연결은 도 1의 평면도에서 좌측 하단 모서리에 있는 셀(8011)과 y 방향에 대해 그 옆으로 배열된 셀(8012)을 전기적으로 연결하는 버스 바(E1112)와 같은 버스 바에 의해 구현된다.
그런데, 전기 연결부는 종종 금속으로 만들어지는 바, 이로 인해 각 버스 바는 연결된 두 셀 사이에 원치 않는 열 전달을 유발할 수 있고, 연결된 셀이 쿨러 빔의 다른 측면에 배열된 경우에도 쿨러 빔을 가로질러 다른 셀 블록 간에 원치 않는 열 교환을 유발할 수 있다. 이에 따라 다른 측면에 배열된 셀 블록 사이의 열 장벽으로서 쿨러 빔의 효과는 저하될 수 있다. 따라서, 쿨러 빔의 서로 다른 측면에 배열된 셀 사이의 전기 연결부의 수는 최소화되어야 하며, 예를 들어 적어도 전지 시스템(110)의 셀(80ij)의 직렬 연결은 1개로 감소된다. 이는 도 1를 참고하여 후술하는 전기 연결부(버스 바)의 배열에 의해 달성될 수 있다.
전술한 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)의 배열로 인해, 셀(80ij)은 여러 그룹으로 조립된다. 제1 그룹은 x 방향으로 보았을 때 제1 쿨러 빔(201)의 전방에 배치된 임의의 셀(8011, 8012, 8013)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 그룹은 각 셀 행(810, 820, 830)의 제1 블록을 포함한다. 또한, 제2 그룹은 x 방향에서 볼 때 제1 쿨러 빔(201)과 제2 쿨러 빔(202) 사이에 배치되는 임의의 셀(8021, 8022, 8023, 8031, 8032, 8033)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 그룹은 셀 행(810, 820, 830) 각각의 제2 블록을 포함한다. 나머지 그룹은 상응하는 방식으로 정의된다. 예를 들어, 제3 그룹은 제2 쿨러 빔(202)과 제3 쿨러 빔(203) 사이에 배치된 셀(8041, 8042, 8043, 8051, 8052, 8053)을 포함하고, 제4 그룹은 제3 쿨러 빔(203)과 제4 쿨러 빔(204) 사이에 배치된 셀 (8061, 8062, 8063, 8071, 8072, 8073)을 포함한다.
각 그룹의 셀들은 서로 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 각각의 셀은 제1 단자(예: 음극 단자) 및 제2 단자(예: 양극 단자)를 포함하므로, 하나의 셀을 제외한 그룹 내의 각 셀의 제2 단자는 다른 셀(예: 인접 셀)의 제1 단자와 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 제1 그룹의 셀(8011)은 버스 바(E1112)에 의해 제1 그룹의 인접한 셀(8012)에 연결되고(y 방향에 대해), 후자의 셀(8012)은 차례로 다른 버스 바(E1213)를 통해 제1 그룹의 다음 셀(8013)과 연결된다(y 방향에 대해). 또한, 제2 그룹의 셀(8023, 8022, 8021, 8031, 8032, 8033) 중에서 상기 순서에 따라 임의의 2개의 셀은 각각 버스 바(E2223, E2122, E2131, E3132, E3233)에 의해 직렬로 연결된다. 이는 추가 그룹에도 상응하는 방식으로 적용된다. 이러한 연결 관계에 따라 각 그룹 내의 필요한 전기 연결부에 대해 쿨러 빔(201, 202, 203, 204) 중 하나에 걸쳐 있는 전기 연결부는 필요하지 않는다. 한편, 각 그룹에는 이 그룹의 제1 단자 역할을 할 수 있는 연결되지 않은 제1 단자를 하나의 셀이 있고, 이 그룹의 제2 단자 역할을 할 수 있는 연결되지 않은 제2 단자를 가진 다른 셀도 있다. 제1 그룹의 제1 단자는 전체 전지 시스템(110)의 제1 단자(예: 제1 최종 단자)의 역할을 할 수 있고, 마지막 그룹의 제2 단자는 전체 전지 시스템(110)의 제2 단자(예: 제2 최종 단자)의 역할을 할 수 있다. 또한, 마지막 그룹을 제외한 각 그룹의 제2 단자는 x 방향으로 다음 그룹의 제1 단자와 연결될 수 있다. 이와 같은 전기 연결부만 쿨러 빔 중 하나를 교차하게 된다. 예를 들어, 제1 그룹의 가장 우측 셀(8013)은 제1 쿨러 빔(201)을 가로질러 배열된 버스 바(E1323)를 통해 제2 그룹의 우측 하단 코너에 있는 셀(8023)과 연결된다. 또한, 제2 그룹의 우측 상단 코너에 있는 셀(8033)은 제2 쿨러 빔(202)을 가로질러 배치된 버스 바(E3343)를 통해 제3 그룹의 우측 하단 코너에 있는 셀(8043)과 연결되고, 제3 그룹의 우측 상단에 있는 셀(8053)은 제3 쿨러 빔(203)을 가로질러 배열된 버스 바(E5363)를 통해 제4 그룹의 우측 하단 코너에 있는 셀(8063)과 연결된다. 개별 그룹을 서로 전기적으로 연결하는 이러한 방식은 전지 시스템(110)의 추가 그룹 각각에 대해 상응하는 방식으로 계속될 수 있다. 이를 통해 각 쿨러 빔에 대해 단 하나의 전기 연결부만이 쿨러 빔을 가로질러 배치된다. 따라서 서로 다른 그룹 간의 열 전달, 즉 전기 연결부를 통한 셀 전체의 열 이벤트 전파 또는 확산 위험이 최소화될 수 있다.
쿨러 빔(201, 202, 203, 204)은 전지 시스템(110)의 기계적 안정성을 제공 및/또는 증가시킬 수 있다. 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)은 열 이벤트의 경우뿐만 아니라 전지 시스템(110)의 정상 작동 중에 일어나는 팽창 과정으로 인해 셀 행(810, 820, 830) 내에서 발생하는 압력에 저항할 수 있도록 구성되어야 한다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)의 주요 기능(또는 목적)은 (하나 또는 두 개의) 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)에 직접 접하는 전지 셀을 냉각함으로써 전지 시스템(110)을 냉각시키는 능력이다. 인접한 각 셀(80ij)을 냉각하기 위해, 쿨러 빔(201, 202, 203, 204) 자체가 냉각된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)은 메인 채널을 갖는다. 예를 들어, 메인 채널은 쿨러 빔(201, 202, 203, 204) 각각에 통합될 수 있다. 각 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)에서, 각각의 메인 채널(301, 302, 303, 304)은 쿨러 빔의 전체 길이를 따라 연장된다. 도 1의 도시 상태에 따라 도 1에서 메인 채널(301, 302, 303, 304)은 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)과 함께 식별될 수 있다. 메인 채널(301, 302, 303, 304)을 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)으로 통합하는 것에 대한 상세한 설명은 도 5a 및 도 5b를 참고하여 후술하도록 한다.
각 메인 채널은 각각의 유입구(I1, I2, I3, I4) 및 각각의 배출구(O1, O2, O3, O4)를 포함한다. 메인 채널(301, 302, 303, 304)의 유입구(I1, I2, I3, I4)는 각기 적합한 냉매 공급원(아래 참조)과 연결되도록 구성된다. 이에 상응하여 메인 채널(301, 302, 303, 304)의 배출구(O1, O2, O3, O4)는 메인 채널(301, 302, 303, 304)의 배출구(O1, O2, O3, O4)로부터 배출되는 냉매를 수용하기에 적합한 배출구(아래 참조)와 연결되도록 각각 구성된다. 따라서 각각의 유입구(I1, I2, I3, I4)를 통해 냉매가 공급되면 도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같이 각각의 메인 채널(301, 302, 303, 304)을 통해 각각의 냉매(F1, F2, F3, F4)의 흐름이 안내된다. 각 유입구(I1, I2, I3, I4)를 통해 메인 채널(301, 302, 303, 304)로 공급되는 냉매는 셀(80ij)과 비교하여 상대적으로 낮은 온도(예: 약 20℃ 내지 약 55℃)를 갖는 유체이다. 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)의 구성에 메인 채널을 통합하는 것에 따라, 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)은 메인 채널(301, 302, 303, 304)과 동일하게 이루어지거나(예: 쿨러 빔이 전체적으로 메인 채널로 형성), 각 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)의 내부 측면에 기계적으로 연결되는 하나 이상의 파이프를 포함할 수 있다(후술할 도 5a 및 5b에 대한 설명 참조). 따라서, 냉매가 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)을 통해 안내되면 냉매와 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)의 재료 사이에 열교환이 일어난다. 또한, 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)은 각각의 제1 및/또는 제2 측면을 (x 방향에 대해) 인접하게 배열된 전지 셀의 전면 및/또는 후면에 기계적으로(직접 또는 간접적으로) 연결시킬 수 있다.
따라서, 전지 셀의 온도가 냉매 온도보다 높게 되면 메인 채널을 통해 흐르는 냉매와 쿨러 빔에 기계적으로 연결된 전지 셀 사이에서 열교환이 일어나게 된다. 예를 들어, 셀을 냉각시키기 위해 각 메인 채널을 매개하여 셀로부터 냉매로 열 에너지가 전달된다. 쿨러 빔에 기계적으로 연결된 전지 셀과 통합된 메인 채널에 의해 쿨러 빔을 통해 안내되는 냉매 사이의 열 교환은 전지 셀과 쿨러 빔 사이의 기계적 연결 영역에 따라 달라질 수 있다. 이를 구체적으로 살펴 보면, 전지 셀과 쿨러 빔 사이의 기계적 연결 영역이 클수록 전지 셀에서 쿨러 빔으로 더 나아가 냉매로 이어지는 열 에너지 흐름(열 전달)이 커지게 된다. 상술한 바와 같이, 도 1에 도시된 전지 시스템(110)의 각 셀은 쿨러 빔(201, 202, 203, 204) 중 하나에 대해 가장 큰 측면 중 하나, 예를 들어, 각각의 전면(88) 또는 각각의 후면이 접하게 된다. 따라서, 전지 시스템(110)은 각각의 셀(80ij)에 대해 우수한 냉각을 제공할 수 있다.
전지 시스템(110)은 개별 셀 각각에 대하 우수한 냉각을 제공할 수 있을 뿐더러 복수의 셀 내에서 열 이벤트(예: 열 폭주)의 전파를 방지하거나 적어도 이 열 전파를 상당히 지연시킬 수 있다. 이는 서로 다른 전지 셀 그룹에 걸쳐 열 이벤트가 전파되는 경우 적용될 수 있다. 여기서 셀 그룹에 대한 정의는 위에서 설명한 바와 같다. 예를 들어, 도 1의 평면도에 있어 좌측 하단 코너에 도시된 셀(8011)(예: 제1 셀 행(810)의 제1 셀)이 그레이 스케일로 나타낸 바와 같이, 열 폭주에 의해 영향을 받은 경우, 이 셀(8011)에서 x 방향으로 이웃하여 배열된 셀(8021)(예 제1 셀 행(810)의 제2 셀)로 진행되는 열 이벤트의 전파는 아래 여러 구성을 통해 회피되거나 적어도 지연될 수 있다. 첫째로 전술한 제1 셀 행(810)의 제1 셀(8011)과 제2 셀(8021)은 제1 셀 행(810)의 서로 다른 블록에 속하여 서로 공간적으로 분리된다. 둘째로 제1 셀(8011)과 제2 셀(8021)은 제1 쿨러 빔(201)에 의해 서로 기계적으로 차폐된다. 셋째로 제1 셀(8011)과 제2 셀(8021)은 제1 셀 행(810)의 제1 셀(8011)에서 전파되는 열이 제1 쿨러 빔(201)에 통합된 제1 메인 채널(301)을 통해 흐르는 냉매(F1)로 전달되는 것으로 서로 열적으로 차폐된다. 즉, 유입구(I1)를 통해 메인 채널(301)로 냉매가 공급되면 y 방향을 따라 흐르는 냉매(F1) 흐름에 의해 제1 셀 행(810)의 제1 셀(8011)과 제2 셀(8021) 사이 영역에서 제1 셀(8011)에서 전파된 열이 바로 제거될 수 있다. 따라서, 열 폭주에 의해 영향을 받는 셀(8011)에서 생성된 열이 제1 쿨러 빔(201)의 제2 측면을 통해 제1 셀 행(810)의 제2 셀(8021)로의 추가 전파되는 것이 완화되거나 방지된다. 셀(8011)에서 발생되어 제1 메인 채널(301)을 흐르는 냉매(F1)에 의해 수용된 열은 제1 메인 채널(301)의 배출구(O1)를 통과한 후 냉매 배출 채널(34) 등에 의해 전지 시스템(110)으로부터 아래의 설명과 같이 배출된다.
상술한 바와 같이 각 메인 채널(301, 302, 303, 304)에는 냉매 공급부와 냉매 배출부가 마련된다. 각각의 메인 채널(301, 302, 303, 304)에 대해, 각각의 냉매 공급부는 메인 채널의 유입구와 연결되도록 구성되어 냉매 공급부에 의해 제공된 냉매는 유입구를 통해 메인 채널로 흐른다. 상응하게, 각각의 메인 채널(301, 302, 303, 304)에 대해, 각각의 냉매 배출구는 메인 채널의 배출구를 통해 메인 채널로부터 배출되는 냉매가 냉매 배출구에 의해 수용되도록 메인 채널의 배출구와 연결되도록 구성된다.
일부 실시예에서, 각각의 메인 채널은 각각의 유입구가 다같이 동일한 냉매 공급부에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 메인 채널에 냉매를 공급하기 위해 단일 냉매 공급부가 사용될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 각각의 메인 채널은 각각의 배출구가 다같이 동일한 냉매 배출구에 연결될 수 있다. 예를 들어, 단일의 냉매 배출부가 각 메인 채널에서 배출되는 냉매를 받는 데 사용된다. 도 1에 도시된 전지 시스템(110)에서 냉매 공급은 냉매 공급 채널(32)에 의해 제공되고, 이에 대응하여 냉매 배출은 냉매 배출 채널(34)에 의해 제공된다. 냉매 공급 채널(32)은 메인 채널(301, 302, 303, 304) 중 어느 하나의 유입구(I1, I2, I3, I4)에 연결된다. 유사하게, 냉매 배출 채널(34)은 메인 채널(301, 302, 303, 304) 중 어느 하나의 배출구(O1, O2, O3, O4)와 연결된다. 냉매 공급 채널(32)은 냉매(F)를 공급하는 외부 냉각 시스템과 연결되도록 구성된 메인 유입구(I)를 포함한다. 도 1에 도시된 전지 시스템(110)에서, 냉매 공급 채널(32)은 전지 시스템(110)의 일부인 반면, 다른 실시예를 통해 냉매 공급 채널은 외부 냉각 시스템의 일부일 수 있다. 또한, 냉매 배출 채널(34)은 외부 냉각 시스템과 연결되도록 구성된 메인 배출구(O)를 포함한다. 여기서 외부 냉각 시스템은 냉매 배출 채널(34)로부터 배출되는 냉매(F)를 메인 배출구(O)를 통해 수용하도록 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 전지 시스템(110)에서, 냉매 배출 채널(34)은 전지 시스템(110)의 일부일 반면, 다른 실시예를 통해 냉매 배출 채널은 외부 냉각 시스템의 일부로 구성될 수 있다.
냉매 공급 채널(32)은 메인 채널(301, 302, 303, 304) 중 어느 하나에 냉매(F)를 공급하고, 냉매 배출 채널(34)은 각 메인 채널(301, 302, 303, 304)로부터 배출되는 냉매를 공급 받게 되는 것으로, 메인 채널(301, 302, 303, 304)은 메인 채널(301, 302, 303, 304)과 냉매 공급 채널(32) 및 냉매 배출 채널(34)에 의해 형성되는 채널 시스템 내에서 병렬로 연결된 것으로 볼 수 있다. 이에 따라, 냉각 시스템의 작동되어 냉매 공급 채널(32)에 의해 공급되는 냉매(F)는 여러 개의 냉매(F1, F2, F3, F4)흐름으로 분할되고, 이들 냉매(F1, F2, F3, F4) 흐름 중 어느 하나는 대응하는 각 메인 채널(301, 302, 303, 304), 다시 말해 각각의 쿨러 빔(201, 202, 203, 204)을 통해 안내된다. 각각의 메인 채널(301, 302, 303, 304)에 대해, 채널을 통해 흐르는 냉매의 양 및 채널을 통해 흐르는 냉매의 속도는 가령 냉매 공급 채널(32)에 의해 제공되는 냉매 하의 압력 및/또는 각각의 메인 채널에 의해 제공되는 단면 유동 면적에 의해 제어될 수 있다. 및/또는 제공된다.
쿨러 빔의 단열 효과를 개선하거나 보장하기 위해, 셀 사이의 대부분의 전기 연결부(예: 버스 바)는 셀 행을 따라 셀을 연결(예: 쿨러 빔 위를 지나거나 쿨러 빔 내를 통과) 하지 않는다. 대신 대부분의 전기 연결부는 서로 다른 셀 행의 셀을 상호 연결한다. 이를 도 1을 참조하면 설명하면, 예를 들어, 셀 매트릭스의 좌측 하단 코너에 도시된 1 셀 행(810)의 고온의 셀(8011)은 버스 바(E1112)에 의해 y 방향으로 제2 셀 행(820)에 속하는 다음 셀(8012)에 연결된다. 이에 따라 제2 셀 행(820)의 셀(8012)은 버스 바(E1112)에 의해서만 고온의 셀(8011)과 연결되는 반면, 계속해서 제1 쿨러 빔(201)에 접하는 후면을 통해 냉각된다. 한편, 하나의 버스 바(E1323)는 셀 행 방향(x 방향)을 따라 셀에 전기적으로 연결된다. 한 셀 블록에서 다음 셀 블록(x 방향)으로 이어지는 이 버스 바(E1323)는 열 전달을 줄이거나 최소화하도록 설계(또는 구성)될 수 있다. 예를 들어, 버스 바(E1323)는 쿨러 빔에 열적으로 연결될 수 있다. 이에 상응하여 전지 셀 그룹 중 이웃하는 임의의 2개 셀 그룹을 연결하는 버스 바(E2131, E3343, E4151, E5363, E6171)도 각기 쿨러 빔에 열적을 연결될 수 있다. 이러한 버스 바의 배열에 따라 쿨러 빔을 가로지르는(또는 통과하는) 전기 연결부의 필요한 수를 줄일 수 있다.
본 개시에 따른 전지 시스템의 2개의 다른 실시예가 도 3 및 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 도 3은 제2 실시예의 전지 시스템(120)의 평면도이고, 도 4는 제3 실시예의 전지 시스템(130)의 평면도이다. 도 3의 전지 시스템(120)과 도 4의 전지 시스템(130)은 기본적으로 1에 도시된 전지 시스템(110)과 유사하게 구성된다. 이들 전지 시스템(120,130)은 도 3 및 도 4에 점선의 가상 직사각형으로 표시된 바와 같이 제1 셀 행(810), 제2 셀 행(820) 및 제3 셀 행(830)을 포함한다. 각 셀 행(810, 820, 830)에서, 각각의 셀(80i1, 80i2, 80i3)(셀의 제1 인덱스 i∈{1, 2, 3, 4}는 x 방향에 대한 셀의 위치를 나타내고, 제2 인덱스는 각각의 셀 행을 의미한다)은 x 방향을 따라 정렬된다. 또한, 셀 행(810, 820, 830)은 서로 평행하게 배열되고 y 방향을 따라 정렬된다. 개략도의 단순화를 위해, 도 3,4에 예시된 실시예의 셀 행(810, 820, 830) 각각은 4개의 전지 셀만을 포함하도록 도시되었으나, 전지 시스템(120, 130)은 다른 실시예를 통해 동일한 패턴을 사용해 x 방향으로 배열되는 추가 셀을 더욱 포함할 수 있다. 또한, 다른 실시예를 통해 전지 시스템(120, 130)은 도 3, 4에 도시된 셀 행(810, 820, 830)과 동일한 방식으로 y 방향을 따라 배열되는 추가 셀 행을 포함할 수 있다.
전지 시스템(120, 130)의 모든 전지 셀(80ij)(i∈{1, 2, 3, 4}, j ∈{1, 2, 3})은 동일한 각형(직육면체)의 형상을 가지고 각기 전면이 x 방향을 향하도록 하고 후면은 x 방향의 반대 방향을 향하도록 한다. 각각의 셀 행(810, 820, 830)에서, 개별 셀(80ij)은 x 방향에 대해 서로 이격되어 있다. 전지 시스템에는 다수의 쿨러 빔(201, 202, 203, 204, 205)(이하, 각 참조부호를 간단히 20k, k∈{1, 2, 3, 4, 5}로 함)이 배치된다. 각각의 쿨러 빔(20k)은 y 방향에 평행하게 연장된다. 각 셀 행(810, 820, 830)의 제1 셀(801j)(j ∈ {1, 2, 3})의 전방에는 x 방향에서 보았을 때 제1 쿨러 빔(201)이 배치된다. 또한, 제2 쿨러 빔(202)은 제1 셀(801j)(j∈{1, 2, 3})과 제2 셀(802j)(j∈{1, 2, 3}) 사이에 형성된 각 공간을 통해 연장된다. 각 셀 행(810, 820, 830) 및 각 셀 행의 셀은 x 방향에 대해 카운트된다. 마찬가지로, 각 셀 행(810, 820, 830)의 제2 셀(802j)과 제3 셀(803j) 사이에 형성된 각 공간에는 제3 쿨러 빔(203)이 배치되고, 각 셀 행(810, 820, 830)의 제3 셀(803j)과 제4 셀(804j) 사이에 형성된 각 공간에는 제4 쿨러 빔(204)이 배치된다. 마지막으로, x 방향으로 볼 때 각 셀 행(810, 820, 830)의 마지막 셀(예: 제4 셀)(804j)(j ∈ {1, 2, 3}) 뒤에는 제5 쿨러 빔(205)이 배치된다.
도 1과 관련하여 전술한 실시예와 유사하게, 쿨러 빔(20k) (k∈{1, 2, 3, 4, 5}) 각각 은 도면 평면에 수직하고(예를 들어, 좌표계의 y-z 평면에 평행하고) x 방향에 대향하는 방향을 향하는 평탄한 제1 측면과, x 방향을 향하고 도면 평면에 수직한 평탄한 제2 측면을 갖는다. 따라서, 각 쿨러 빔(20k)의 제1 측면 및 제2 측면 각각은 전지 시스템(120, 130)의 각 셀(80ij)의 전면 및 후면 각각에 평행하게 배열된다.
이와 같은 셀(80ij) 및 쿨러 빔(20k)의 배열로 인해, 전지 행(810, 820, 830)은 각각 도 1에 대해 전술한 바와 유사한 방식으로 복수의 블록으로 분할된다 그러나, 제2 실시예(도 3) 및 제3 실시예(도 4)에서 셀 행(810, 820, 830)은 하나의 전지 셀만을 포함하는 블록으로 분할되는 것이 도 1에 도시된 실시예와 상이하다. 전지 셀의 각각의 전면 및 후면은 인접한 쿨러 빔(20k) 각각의 제2 측면 및 제1 측면에 경계가 맞닿도록 연결된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 제2 실시예와 도 4에 도시된 제3 실시예에서, 각각의 전지 셀은 2개의 쿨러 빔 사이에 배열되고 쿨러 빔에 대향하는 2개의 면을 쿨러 빔에 경계가 맞닿도록 연결된다. 전지 셀의 전면 및 후면이 셀의 가장 큰 면이기 때문에(예: 도 2 참조), 이로 인해 쿨러 빔(20k)과 셀(80ij) 사이의 우수한 열 교환이 보장될 수 있다. 각 전지 셀의 양쪽 큰 면이 쿨러 빔과 열 접촉하기 때문에, 도 3 및 도4에 도시된 실시예의 쿨러 빔(20k)에 의해 셀(80ij)에 제공되는 냉각 효과(냉각 시스템이 작동될 때)는 각 셀의 앞면과 뒷면 중 하나만이 쿨러 빔과 열 교환에 관여하는 도 1의 제1 실시예에 의해 제공되는 냉각 효과에 비해 더 효율적이다. 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에서 열교환을 위해 사용되는 영역은 도 1에 도시된 제1 실시예보다 2배 더 크다. 따라서, 도 3에 도시된 제2 실시예와 도 4에 도시된 제3 실시예는 쿨러 빔과의 열 교환을 최대화여 최대의 효율적인 냉각 효과를 구현할 수 있다.
도 1과 관련하여 전술한 실시예와 유사하게, 전지 시스템(120, 130)의 셀(80ij)은 복수의 쿨러 빔(20k)에 의한 셀 행(810, 820, 830)의 교차로 인해 여러 그룹으로 그룹화된다. 각 그룹에는 한 쌍의 인접한 쿨러 빔 사이에 위치한 셀 중 하나가 포함된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 제2 실시예와 도 4에 도시된 제3 실시예서, k번째 전지 그룹은 x 방향으로 보았을 때, k번째 쿨러 빔(20k)과 (k+1)번째 쿨러 빔(20k+1)(k ∈ {1, 2, 3, 4}) 사이에 위치한 전지 세트(80i1, 80i2, 80i3)에 의해 제공된다
각 그룹의 셀은 직렬로 서로 전기적으로 연결된다. 전기적 연결은 와이어 또는 버스 바에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 그룹에 대하여, 도 3 및 도 4에 도시된 셀 매트릭스의 좌측 하단 코너에 도시된 셀(8011)의 단자 중 하나는, 버스 바(E1112)를 통해 제1 그룹에서 인접 배치된 셀(8012)의 단자에 연결되고(y 방향에 대해), 후자의 셀(8012)의 다른 단자는 또 다른 버스 바(E1213)에 의해 제1 그룹의 제3 셀(8013)의 단자와 연결된다. 여기서 직렬 연결이 설정되려면 음극 단자가 양극 단자에만 연결되도록 전지 셀이 배열된다. 동일한 연결 방식이 전지 시스템(120, 130)의 다른 셀 그룹 각각에 적용된다. 또한 셀 그룹 자체는 서로 전기적으로 직렬로 연결된다. 예를 들어, 도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 그룹은 제1 그룹의 맨 우측 셀(8013)의 단자와 제2 그룹의 맨 우측 셀(8023)의 단자를 전기적으로 연결하는 버스 바(E1323)에 의해 제2 그룹과 연결된다. 또한, 제2 그룹은 제2 그룹의 좌측 셀(8021)의 단자와 제3 그룹의 좌측 셀(8031)의 단자를 전기적으로 연결하는 또 다른 버스 바(E2131)에 의해 제3 그룹과 연결된다. 그런 다음 제3 그룹은 다른 버스 바(E3343)에 의해 제4 그룹과 유사한 방식으로 연결된다. 재차 확인하면 음극 단자는 직렬 연결을 설정하기 위해 양극 단자에만 연결된다. 이것으로 각 그룹은 직렬로 연결되고, 각 그룹 내에서 셀의 셀은 직렬로 연결된다. 따라서, 전지 시스템(120, 130)에서 완성된 전지 세트는 직렬로 연결된다. 아울러 도 3 및 도 4에 도시된 셀 매트릭스에서 좌측 하단 코너에 도시된 셀(8011)의 자유 단자 및 좌측 상단 코너에 도시된 셀(8041)의 자유 단자는 완성된 전지 시스템(120, 130)의 제1 단자(T1) 및 제2 단자(T2)로 작용한다. 도 3에 도시된 제2 실시예와 도 4에 도시된 제3 실시예의 배열에서, 각각의 쿨러 빔(20k)은 도 1에 도시된 제1 실시예의 구성과 유사하게 단 하나의 버스 바에 의해 연결되거나 교차된다. 따라서, 각각의 실시예에서, 각 그룹 사이의 전기 연결부를 통해 이웃하는 전지 셀 그룹 사이의 원치 않는 열 전달이 감소될 수 있다.
또한, 각 쿨러 빔(201, 202, 203, 204, 205)에는 메인 채널이 통합된다. 예를 들어, 제1 메인 채널(301)은 제1 쿨러 빔(201)에 통합되고, 제2 메인 채널(302)은 제2 쿨러 빔(202)에 통합된다. 일반적으로, 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에 따라 k번째 메인 채널(30k)은 각각의 k번째 쿨러 빔(20k) (k ∈ {1, 2, 3, 4, 5})에 통합된다. 도 3 및 도 4에서, 메인 채널(30k)은 도면의 단순화를 위해 각각의 쿨러 빔(20k)과 동일한 것으로 도시되어 있다. 이러한 구성은 도 5a를 참조하여 후술하는 메인 채널의 실시예에 해당할 수 있다. 그러나, 도 5b에 도시된 바와 같은 메인 채널의 또 다른 실시예는 전지 시스템의 제2 및/또는 제3 실시예에도 사용될 수 있다. 각각의 메인 채널(30k)은 메인 채널이 통합된 쿨러 빔(20k)의 전체 길이를 따라 냉매를 안내하도록 구성된다. 따라서, 냉매가 메인 채널을 통해 흐르면, 각각의 쿨러 빔에 대해 온전히 접한 각 전지 셀과 쿨러 빔을 통과하는 냉매 사이에서 열교환이 일어난다. 따라서, 냉매의 온도가 각각의 쿨러 빔에 접하는 전지 셀의 온도보다 낮은 경우, 전지 셀은 전지 시스템(120,130)에 의한 배열에서 냉각된다. 또한, 전지 시스템(120, 130)의 그룹 중 하나에서 다른 그룹으로 발생하는 열 이벤트(예: 열 폭주)의 전파는 쿨러 빔에 의해 제공되는 기계적 분리는 물론, 쿨러 빔 내를 흐르는 냉매에 움직임에 의해 열이 발생하는 영역(예: 열 이벤트의 영향을 받은 전지 셀 영역)에서 냉매에 의해 수신된 열이 전달됨으로써 방지되거나 상당히 지연된다. 이에 대해서는 도 1의 설명을 통해 위에서 상세하게 설명된 것을 참고하도록 한다.
도 3에 도시된 제2 실시예와 도 4에 도시된 제3 실시예는 각각의 메인 채널(30k)에 신선한 냉매(즉, 전지 셀(80ij)로부터 열을 전달받지 않은 냉매)를 공급하는 방식과 메인 채널(30k)을 통과한 냉매(사용된 냉매)를 메인 채널(30k)에서 배출하는 방식이 서로 다르다. 도 3에 도시된 바와 같은 제2 실시예에서, 냉매 공급 및 배출은 도 1의 제1 실시예와 관련하여 전술한 것과 같은 유사한 방식으로 제공된다. 예를 들어, 각각의 메인 채널(30k)은 유입구(도 3에서 각각의 메인 채널의 좌측 단부) 및 배출구(도 3에서 각각의 메인 채널의 우측 단부)를 포함한다. 각 메인 채널(30k)의 유입구에는 냉매 공급 채널(32)이 연결된다. 또한, 각 메인 채널(30k)의 출구에는 냉매 공급 채널(34)이 연결된다. 즉, 냉매 공급 채널(32)은 각각의 메인 채널(30k)과 유체 연결되고, 냉매 배출 채널(34)도 각각의 메인 채널(30k)과 유체 연결된다. 그러면, 냉매 공급 채널(32)에 의해 각 메인 채널(30k)에 새로운 냉매가 공급될 수 있고, 이에 대응하여 메인 채널(30k)에서 배출된 사용 냉매는 냉매 배출 채널(34)에 수용될 수 있다. 이에 따라 도 3에 도시된 전지 시스템(120)에서, 메인 채널(301, 302, 303, 304, 305)은 메인 채널(301, 302, 303, 304, 305)과 냉매 공급 채널(32) 및 냉매 배출 채널(34)과 함께 형성되는 채널 시스템 내에서 병렬로 연결된 것으로 볼 수 있다.
도 4에 도시된 제3 실시예의 전지 시스템(130)은 메인 채널(301, 302, 303, 304, 305)을 연결하는 대안적인 방법을 제공한다. 각각의 메인 채널(30k)(k∈{1, 2, 3, 4, 5})은 유입구(Ik) 및 배출구(Ok)를 포함한다. 그러나, 여기서 각 메인 채널(30k)(5번째 메인 채널(305) 제외, 즉, k∈{1, 2, 3, 4})에 대해, 각각의 배출구(Ok)는 x 방향으로 볼 때, 다음의 메인 채널(30k+1)의 유입구(Ik+1)와 연결된다. 여기서 연결은 복수의 각 연결 채널(3612, 3623, 3634, 3645)에 의해 실현된다. 예를 들어, 제1 메인 채널(301)의 배출구(O1)는 제1 연결 채널(3612)을 통해 제2 메인 채널(302)의 유입구(I2)와 연결된다. 마찬가지로 제2 메인 채널(302)의 배출구(O2)는 제2 연결 채널(3623)을 통해 제3 메인 채널(303)의 유입구(I3)와 연결된다. 더욱이 제3 메인 채널(303)의 배출구(O3)는 제3 연결 채널(3634)을 통해 제4 메인 채널(304)의 유입구(I4)와 연결되고, 마지막으로 제4 메인 채널(304)의 배출구(O4)는 제4 연결 채널(3645)을 통해 제5 메인 채널(305)의 유입구(I5)와 연결된다.
또한, 제1 메인 채널(301)의 유입구(I1)는 냉매 공급 채널(32)과 연결되고, 제5(마지막) 메인 채널(305)의 출구(O5)는 냉매 배출 채널(34)과 연결된다. 따라서, 도 4에 도시된 전지 시스템(130)에서, 메인 채널(301, 302, 303, 304, 305)은 연결 채널(3612, 3623), 냉매 공급 채널(32) 및 냉매 배출 채널(34)과 함께 메인 채널(301, 302, 303, 304, 305)로 형성된 채널 시스템 내에서 직렬로 연결된 것으로 볼 수 있다.
전지 시스템(120)의 제2 실시예(도 3) 및 전지 시스템(130)의 제3 실시예(도 4) 각각에서, 냉매 공급 채널(32)은 외부 냉각 시스템과 연결되어 신선한 냉매(FI)를 공급하도록 구성된 메인 유입구(I)를 포함한다. 전지 시스템(120, 130)의 제2 및 제3 실시예에서, 냉매 공급 채널(32)은 전지 시스템(120, 130)의 일부이다. 다른 실시예에서, 냉매 공급 채널은 외부 냉각 시스템의 일부일 수 있다. 또한, 냉매 배출 채널(34)은 냉매 배출 채널(34)에서 배출되는 사용된 냉매(FO)를 수용하는 외부 냉각 장치와 연결되도록 구성된 배출구(O)를 포함한다. 전지 시스템(120, 130)의 제2 및 제3 실시예에서, 냉매 배출 채널(34)은 전지 시스템(120, 130)의 일부이다. 다른 실시예에서, 냉매 배출 채널은 외부 냉각 시스템의 일부일 수 있다.
도 1, 도 3 및 도 4의 각 실시예에서, 채널 시스템의 유입구(I)를 배출구로 사용하고 채널 시스템의 배출구(O)를 유입구로 사용함으로써 냉매의 흐름 방향과 채널 시스템 내 임의의 지점이 역전될 수 있다. 물론 전지 시스템(110, 120, 130)에 대한 채널 시스템의 냉각 효과는 이러한 역방향 작동에 의해 영향을 받지 않는다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 전지 시스템에 사용될 수 있는 쿨러 빔(20)의 2개의 실시예를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 단면도이다. 쿨러 빔(20)은 2개의 전지 셀(80i,j, 80i+1,j) 사이에 인접하게 배열된다. 쿨러 빔(20)은 도 1에 도시된 제1 실시예의 제1, 제2, 제3, 제4 쿨러 빔(201, 202, 203, 204) 중 어느 하나일 수 있고, 또는 도 3의 제2 실시예나 도 4의 제3 실시예의 제2, 제3, 제4 쿨러 빔(202, 203, 204) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 전지 셀(80i,j, 80i+1,j)은 본 발명에 따른 전지 시스템에서 동일한 셀 행(j번째 셀 행)에 속한다. 예를 들어, 도 5a 및 도 5b의 우측에 도시된 셀(80i,j)(이하, 편의상 "우측 셀"이라 함)은 전술한 제1, 제2 또는 제3 실시예 중 어느 하나의 제2 셀 행의 제3 셀(8032)에 대응할 수 있고, 도 5a 및 도 5b의 좌측에 도시된 셀(80i+1,j)(이하, 편의상 "좌측 셀"이라고 함)은 각 실시예의 제2 셀 행의 제4 셀(8042)에 해당할 수 있다(이 예를 얻기 위해 i=3 및 j=2로 설정할 수 있음). 도 5a 및 도 5b에 도시된 좌표계는 도 1 내 도 4에 도시된 좌표계와 일치한다.
도 5a에 도시된 실시예에서, 쿨러 빔(20)의 단면 프로파일은 직사각형 형상을 갖는다. 쿨러 빔(20)은 우측 셀(80i,j)의 후면(89i,j)에 접하는 제1 벽(20a) 및 좌측 셀(80i+1,j)의 전면(88i+1,j)에 접하는 제2 벽(20b)을 갖는다. 쿨러 빔(20)과 셀(80i,j, 80i+1,j) 사이에 기계적인 고정을 강화하기 위해, 후자는 예를 들어 접착제에 의해 셀(80i,j, 80i+1,j)과 쿨러 빔(20)이 접착될 수 있다. 우측 셀(80i,j)의 후면(89i,j)과 제1 벽(20a)의 외면 사이에 제1 접착층(26a)이 배치될 수 있고, 이에 대응하여 좌측 셀(80i+1,j)의 전면(88i+1,j)과 제2 벽(20b) 사이에 제2 접착층(26b)이 배치될 수 있다. 이에 따라 제1 벽(20a)의 외면은 쿨러 빔(20)의 제1 측면(22a)을 형성하고, 제2 벽(20b)의 외면은 쿨러 빔(20)의 제2 측면(22b)을 형성한다. 또한, 쿨러 빔(20)은 하부벽(20c)과 상부벽(20d)을 갖는다. 하부벽(20c)은 제1 및 제2 벽(20a, 20b)의 하부 가장자리(도 1에 대하여)를 서로 연결(예: 그 사이에 연장)하고, 상부벽(20d)은 제1 및 제2 벽(20a, 20b)의 상부 가장자리(도 1에 대하여)를 서로 연결(예: 그 사이에 연장)한다. 따라서, 쿨러 빔(20)의 단면 프로파일은 냉매와 같은 유체를 안내하기 위한 채널(또는 공간)(30)을 만들 수 있다. 즉, 쿨러 빔(20)의 하부벽(20c)과 상부벽(20d)뿐만 아니라 제1 및 제2벽(20a, 20b)이 전체적으로 파이프를 형성하여 쿨러 빔(20) 자체가 채널(30)의 역할을 하도록 구성된다. 이러한 채널(30)에 의해 실시예에 따른 메인 채널이 구성될 수 있고 이는 쿨러 빔(20)에 통합될 수 있다.
도 5a에 도시된 실시예에 따른 쿨러 빔(20)은 셀 스택을 따라(예를 들어, x 방향을 따라) 셀 팽윤력을 극복(또는 저항)하기에 충분한 기계적 안정성을 갖도록 설계되어야 한다. 반면 동시에 셀 스택을 따라 열전도율이 최소화되어야 한다. 열 폭주의 경우 전지 셀의 고온(예를 들어, 약 700℃)으로부터 쿨러 빔(20)을 보호하기 위해, 쿨러 빔(20)은 강철로 제조될 수 있다.
좌측 셀(80i+1,j) 내에 표시된 화염(R)과 같이, 쿨러 빔(20)에 인접한 전지 셀 중 하나는 열 폭주(셀의 온도가 약 700℃로 올라갈 수 있음)와 같은 열 이벤트(예: 전지 셀 내에서 비정상적으로 높은 온도가 발생)에 의해 영향을 받을 수 있다. 도 5a에서 셀의 온도가 축척에 따라 전지 셀 내 영역의 음영에 의해 개략적으로(기준 값이 없는 상대 척도로) 표시되었다. 즉, 밝은 회색은 상대적으로 낮은 온도 또는 전지 셀의 정상 작동 온도를 중간 회색은 중간 온도를 그리고 짙은 회색은 열 이벤트에 의해 생성된 고온을 나타낸다. 열 이벤트(R)는 예를 들어 본 발명의 실시예에 따른 전지 시스템의 전지 관리 유닛(BMU)에 통합될 수 있는 평가 유닛과 연결된 적절한 검출 시스템에 의해 검출될 수 있다. 열 이벤트를 감지하면 전지 관리 유닛(BMU)은 전지 시스템의 채널 시스템과 연결된 냉각 시스템을 동작시킬 수 있다. 예를 들어, 도 1, 3 및 도 4에 도시된 실시예를 참조하면, 냉각 시스템은 전지 시스템(110, 120, 130)의 냉매 공급 채널(32)의 메인 유입구(I)에 연결되고, 냉매 공급 채널(32)에 새로운 냉매를 공급하도록 더 구성될 수 있다. 이에 대응하여 냉각 시스템은 냉매 배출 채널(34)의 메인 배출구(O)에 연결되어 전지 시스템의 메인 채널에서 배출되는 사용된 냉매를 수용하도록 구성될 수 있다. 따라서, 시동 후, 셀보다 온도가 상당히 낮은(예를 들어, 약 35℃), 가령 열 이벤트(R)에 의해 영향을 받는 셀의 온도보다 낮은 온도를 갖는 냉매는 각각의 메인 채널을 통해 안내될 수 있다. 이 상황에서 열 이벤트(R)에 의해 영향을 받는 좌측 셀(80i+1,j)과 채널(30) 내를 흐르는 냉매 사이의 영역에서 온도 구배가 발생된다. 도 5a의 실시예에서는 상기한 영역 상에 제2 벽(20b)이 위치하므로 이 제2 벽(20b)의 재료를 통해 열 전달이 발생된다. 예를 들어, 열은 좌측 셀(80i+1,j) 내의 고온 영역으로부터 제2 벽(20b)을 통해 메인 채널(30) 내의 냉매로 전파된다. 이로써 좌측 셀(80i+1,j)로부터 열 에너지가 방출되고, 이에 의해 좌측 셀(80i+1,j)의 온도가 감소된다. 도 5a를 통해 알 수 있는 바와 같이 제2 벽(20b)의 내부 측면(23b)의 대부분은 냉매에 열적으로 연결된다. 따라서, 제2 벽(20b)을 통해 전파되는 대부분의 열 에너지는 냉매에 의해 수용되고, 이 후 열 이벤트(R)의 영역으로부터 멀리 안내된 후 전지 시스템 밖으로 방출될 수 있다. 여기서 약간의 열 에너지만이 하부벽(20c) 및 상부벽(20d)을 통해 대향하는 제1 벽(20a)으로 전파될 수 있고, 이에 의해 대향하는 제1 벽(20a)의 온도가 약간 증가될 수 있다. 그러나, 하부벽(20c)과 상부벽(20d)이 각각 냉매와 접촉하여 냉각되기 때문에 제1 벽(20a)으로의 열 전달은 더 약해진다. 따라서, 좌측 셀(80i+1,j)로부터 우측 셀(80i,j)로 전달되는 열 전달은 크게 방지될 수 있다. 예를 들어, 우측 셀(80i,j)의 온도는 좌측 셀(80i+1,j)에서 열 이벤트가 발생하더라도 약 150℃ 미만으로 유지된다.
위에서 언급한 바와 같이, 도 5a에 도시된 쿨러 빔(20)은 강철로 제조될 수 있다. 알루미늄에 비해 강철의 낮은 열 전도율은 증가된 냉각 표면, 예를 들어, 쿨러 빔(20)의 전면(88i+1,j) 및 제2 측면(22b)의 영역에 의해 보상될 수 있다. 또한 강철은 작동 중이거나 열 이벤트의 경우, 셀에서 발생하는 셀 팽윤력에 대해 쿨러 빔(20)의 충분한 안전성을 제공하는 데 도움이 된다. 또한, 강철 재료로 인해, 좌측 셀(80i+1,j)과 우측 셀(80i,j) 사이에 존재하는 재료의 필요 단면적이 감소될 수 있는 바, 이로 인해 좌측 셀(80i+1,j)과 우측 셀(80i,j) 사이의 열 전도율을 낮출 수 있다.
도 5b는 쿨러 빔(20)이 알루미늄으로 이루어진 다른 실시예를 도시한 단면도이다. 도 5b에 도시된 쿨러 빔(20)은 5B는 알루미늄 압출 프로파일로 제조된다. 도 5a에 도시된 쿨러 빔과 유사하게, 도 5b에 도시된 쿨러 빔(20)은 우측 셀(80i,j)의 후면(89i,j)에 접하는 제1 벽(20a) 및 좌측 셀(80i+1,j)의 전면(88i+1,j)에 접하는 제2 벽(20b)을 갖는다. 반면, 도 5a에 도시된 쿨러 빔과는 다르게, 도 5b에 도시된 쿨러 빔(20)은 하단 벽이나 상단 벽을 갖지 않는다. 대신에, 복수의 파이프가 각각의 내부 측면, 예를 들어, 제2 벽(20b)에 대향하는 제1 벽(20a)의 측면(23a) 및 제1 벽(20a)에 대향하는 제2 벽(20b)의 내부 측면(23b) 상에 배열된다. 도시된 실시예에서, 3개의 제1 파이프(41a, 41b, 41c)는 제1 벽(20a)의 내부 측면(23a)에 배치되고, 3개의 제2 파이프(42a, 42b, 42c)가 제2 벽(20b)의 내부 측면(23b)에 배치된다. 각각의 파이프(41a, 41b, 41c, 42a, 42b, 42c)는 y 방향을 따라(즉, 도면 평면에 수직한 방향) 쿨러 빔(20)의 전체 길이를 가로질러 연장될 수 있다. 각 파이프에는 냉매를 안내하도록 구성된 캐비티(C)가 제공된다. 이러한 파이프는 벽(20a, 20b)의 대향 내부 측면(23a, 23b)에서 서로 마주보도록 배치되도록 한 쌍으로 위치된다. 예를 들어, 한 쌍은 벽(20a, 20b)의 상부 가장자리 근처에 위치할 수 있다. 이 한 쌍은 제1 벽(20a)의 내부 측면(23a)에 배치되는 제1 상부 파이프(41a)와 제2 벽(20b)의 내부 측면(23b)에 배치되는 제2 상부 파이프(41b)를 포함한다. 여기서 제2 상부 파이프(41b)는 x 방향에 대해 상부 파이프(41a)를 대향하여 위치할 수 있다. 쿨러 빔(20)의 기계적인 안정성을 위해, 제1 상부 파이프(41a)와 제2 상부 파이프(42a)는 상부 로드 또는 리브(44a)에 의해 서로 기계적으로 연결된다. 로드 또는 리브(44a)는 제2 벽(20b)을 향하는 제1 상부 파이프(41a)의 영역 상에 연결된다. 마찬가지로 로드 또는 리브(44a)는 제1 벽(20a)을 향하는 제2 상부 파이프(42a)의 영역 상에 연결된다. 이에 따라 상부 로드 또는 리브(44a)는 제1 및 제2 벽(20a, 20b) 중 어느 하나와 직접 기계적으로 접촉하지 않는다. 따라서, 상부 로드 또는 리브(44a)는 제1 및 제2 벽(20a, 20b) 중 어느 하나에 직접 열 접촉하지 않는다. 또한, 냉매가 제1 및 제2 상부 파이프(41a, 42a)를 통해 흐르면, 제1 및 제2 상부 파이프(41a, 42a)는 파이프가 배치된 벽(20a, 20b) 각각의 내부 측면(23a, 23b)보다 낮은 온도를 갖도록 냉각된다. 즉, 냉매에 의한 능동 냉각과 내부 측면(23a, 23b)에 대한 직접적인 기계적 접촉의 회피로 인해, 쿨러 빔(20)의 제1 벽(20a)과 제2 벽(20b) 사이의 열 교환이 감소되거나 최소화된다. 도 5b의 실시예에서, 제1,2 벽(20a, 20b)의 내부 측면(23a, 23b)에는 제1,2 상부 파이프(41a, 42a)를 대향하여 배열된 추가의 한 쌍의 파이프(41c, 42c)가 x 방향을 따라 상응하는 방식으로 제1,2 벽(20a, 20b)의 하부 가장자리에 배치되고, 또 다른 한 쌍의 파이프(41b, 42b)가 다른 파이프들과 유사한 방식으로 제1, 2 벽(20a, 20b)의 내부 측면(23a, 23b)의 중심 영역(z 방향에 대해)에 배열된다.
도 5b에 도시된 쿨러 빔(20)은 셀 스택을 따라(예: x 방향을 따라) 셀 팽윤력을 극복하기에 충분한 기계적 안정성을 제공하고 동시에 셀 스택을 따라 열 전도성을 감소시키거나 최소화할 수 있다. 위에서 이미 언급한 바와 같이, 쿨러 빔(20)은 알루미늄 압출 프로파일일 수 있다. (정상 작동 모드 동안, 특히 열 이벤트 동안) 셀의 매우 높은 온도로부터 알루미늄의 쿨러 빔(20)을 보호하기 위해추가 운모 시트(24a, 24b) 또는 유사한 재료가 셀과 쿨러 빔(20) 사이에 사용될 수 있다. 이 재료는 셀로부터 쿨러 빔(20)으로 열 전달을 늦추고 쿨러 빔(20)이 더 낮은 온도를 유지하게 해 줄 수 있다. 알루미늄 압출 프로파일은 냉매(예: 냉각수)가 각 측면에서 복수의 파이프(41a, 41b, 41c, 42a, 42b, 42c)를 통해 흐르도록 설계된다. 쿨러 빔(20) 전체에 걸친 열적 연결을 감소시키거나 최소화하기 위해, 작은 로드 또는 리브(44a, 44b, 44c)만이 냉각 파이프(41a, 41b, 41c, 42a, 42b, 42c)의 좌측 및 우측 절반을 연결한다. 또한, 이러한 연결은 벽(20a, 20b)이 아닌 냉각 파이프(41a, 41b, 41c, 42a, 42b, 42c)를 기반으로 한다.
도 5a를 통해 설명한 바와 같이 좌측 셀(80i+1,j)에 열 폭주와 같은 열 이벤트(R)가 발생하면, 좌측 셀(80i+1,j)에서 우측 셀(80i,j)로 번질 수 있는 열 전파는 5b에 도시된 쿨러 빔(20)의 구성에 의해 대부분 방지된다. 이는 첫 번째로 좌측 셀(80i+1,j)과 우측 셀(80i,j)이 냉매와의 열교환에 의해 냉각될 수 있기 때문이다. 두 번째로 쿨러 빔(20)의 고체 부재 즉, 로드 또는 리브(44a,44b,44c)와 같은 부재에 의해 제1 벽(20a)과 제2 벽(20b) 사이의 기계적 접촉이 최소화되기 때문이다. 세 번째로, 로드 또는 리브(44a, 44b, 44c)는 자체로 냉매에 의해 냉각되고, 추가로 위에서 설명한 바와 같이 파이프(41a, 41b, 41c, 42a, 42b, 42c)의 "냉각 영역"에 배치되기 때문이다.
쿨러 빔의 다른 실시예에로서, 도 5b에 도시된 쿨러 빔(20)과 유사하게 이루어지되 쿨러 빔(20)의 내부 측면(23a, 23b) 중 하나에만 파이프가 배열될 수 있다. 이는 도 3 및 도 4에 도시된 전지 시스템에서 제1 쿨러 빔(201) 또는 마지막(제5) 쿨러 빔(205)으로 적합한 구성일 수 있다. 이러한 쿨러 빔은 전지 시스템(120, 130)에 있어 셀이 제1 측면 및 제2 측면 중 하나에만 인접하여 배열되기 때문에, 각각의 다른 측면이 냉각될 필요가 없으므로 일부 파이프가 생략될 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.
20, 201, 202, 203, 204, 205, 20k 쿨러 빔
20a, 20b, 20c, 20d 벽
22a 쿨러 빔의 제1 측면
22b 쿨러 빔의 제2 측면
23a, 23b 쿨러 빔의 내부 측면
24a, 24b 운모 시트
26a, 26b 접착층
30, 301, 302, 303, 304, 305, 30k 메인 채널
32 냉매 공급 채널
34 냉매 배출 채널
3612, 3623, 3634, 3645 연결 채널
41a, 41b, 41c, 42a, 42b, 42c 파이프
44a, 44b, 44c 로드 또는 리브
80, 80i,j, 80i+1,j 전지 셀
8011, 8021, 8031, 8041, 8051, 8061, 8071, 8081 제1 셀 행의 전지 셀
8012, 8022, 8032, 8042, 8052, 8062, 8072, 8082 제2 셀 행의 전지 셀
8013, 8023, 8033, 8043, 8053, 8063, 8073, 8083 제3 셀 행의 전지 셀
81, 82 전지 셀 단자
83 배출구
84 상부면
86 제1 측면
88, 88i+1,j 전면
89i,j 후면
110, 120, 130 전지 시스템
810 제1 셀 행
820 제2 셀 행
830 제3 셀 행
b12 제1 셀 행과 제2 셀 행 사이의 영역
b23 제2 셀 행과 제3 셀 행 사이의 영역
C 캐비티
E1112, E1213, E1323, E2131, E3343 버스 바
E4151, E5363, E6171, E2212, E2223 버스 바
E3132, E3233, E4353 버스 바
F 냉매
F1, F2, F3, F4 메인 채널의 냉매 흐름
FI 신선한 냉매
FO 사용된 냉매
I 메인 유입구
I1, I2, I3, I4, I5 메인 채널의 유입구
O 메인 배출구
O1, O2, O3, O4, O5 메인 채널의 배출수
R 열 이벤트(예: 열폭주)
T1 전지 시스템 제1 단자
T2 전지 시스템 제2 단자

Claims (16)

  1. 복수의 셀 행;
    복수의 쿨러 빔; 및
    냉매를 가이드할 수 있도록 구성된 메인 채널을 복수로 포함하는 채널 시스템
    을 포함하고,
    상기 복수의 셀 행은 각기, 전면, 후면, 제1 측면, 제2 측면, 상부면 및 하부면을 포함하고 제1 방향을 따라 배열된 각형 셀을 복수로 포함하고,
    상기 복수의 쿨러 빔은 각기, 상기 제1 방향에 수직하게 배열된 제1 측면 및 제2 측면을 포함하고,
    상기 복수의 셀 행은 각기, 복수의 블록으로 구분되고, 상기 복수의 블록 각각은 전면 및 후면 가지며 상기 셀 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제1 방향으로 볼 때, 상기 블록의 전면은 대응하는 블록의 전지 셀 중 제1 셀의 전면에 의해 이루어지고, 상기 블록의 후면은 대응하는 블록의 전지 셀 중 마지막 셀의 후면에 의해 이루어지며,
    상기 복수의 블록 각각에 대해, 블록의 전면은 상기 복수의 쿨러 빔 중 대응하는 쿨러 빔의 제2 측면에 대해 맞닿고 그리고/또는 블록의 후면은 대응하는 다른 쿨러 빔의 제1 측면에 대해 맞닿으며,
    상기 복수의 쿨러 빔 각각에 대해, 상기 복수의 메인 채널 중 하나의 메인 채널은 대응하는 쿨러 빔에 통합되어 열적으로 연결되는, 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    베이스부를 갖는 캐리어 프레임워크를 더욱 포함하고,
    상기 복수의 셀 각각은 상기 베이스부로부터 열적으로 절연되는 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    제2 방향으로 인접하여 배치된 셀 중 어느 2개의 셀에 대해, 하나의 셀의 측면이 마주하는 다른 하나의 셀의 측면으로부터 열적으로 절연되는 전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 각 셀과 베이스부 사이의 단열은 에어 갭, 적어도 부분적인 에어 갭 또는 절연층으로 이루어지고,
    상기 제2 방향으로 서로 인접하게 배치된 셀 중 어느 2개의 셀 사이의 단열은 에어 갭, 적어도 부분적인 에어 갭 또는 절연층으로 이루어지는, 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 셀의 전면 및 후면은 각각 상기 셀의 제1 측면 및 제2 측면보다 큰 면적을 갖는 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 쿨러 빔 각각은, 각각의 셀 행이 갖는 적어도 하나의 블록의 전면 및 후면 중 하나에 경계가 맞닿도록 연결되는 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 셀 행 각각은 동일한 수의 블록을 포함하고,
    각각의 셀 행에 대해, 상기 제1 방향으로 볼 때, 블록 중 제1 블록의 후면은 상기 복수의 쿨러 빔 중 하나의 쿨러 빔의 제1 측면과 경계가 맞닿도록 연결되고, 블록 중 마지막 블록의 전면은 상기 복수의 쿨러 빔 중 하나의 쿨러 빔의 제2 측면과 경계가 맞닿도록 연결되며, 그리고,
    상기 복수의 셀 행 중 하나의 셀 행의 제1 블록과 마지막 블록 사이에 배치된 각 블록에 대해, 제1 방향으로 볼 때, 블록의 전면은 복수의 쿨러 빔 중 하나의 쿨러 빔의 제2 측면과 경계가 맞닿도록 연결되고 블록의 후면은 복수의 쿨러 빔 중 하나의 쿨러 빔의 제1 측면에 경계가 맞닿도록 연결되는 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 블록 각각은 최대 2개의 셀을 포함하는 전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 블록 각각은 단일 셀을 포함하는 전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 쿨러 빔 각각은 제2 방향을 따라 연장되는 파이프를 포함하고,
    상기 파이프는 상기 쿨러 빔의 평탄한 제1 측면과 평탄한 제2 측면을 형성하는 평탄한 제1 측면부와 평판한 제2 측면부를 포함하는 전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 쿨러 빔 각각은 2개의 단열층 사이에 배열된 알루미늄 쿨러 코어를 포함하는 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 알루미늄 쿨러 코어는 제1벽과 제2벽을 갖고,
    상기 제1 벽 및 제2 벽은 각각 제2 방향을 따라 연장되고 상기 제1 방향으로 서로 마주보게 배열되며,
    상기 제1 벽은 상기 제1 방향으로 볼 때, 상기 제2 벽의 전방에 배치되는 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 쿨러 빔 각각에 대해, 대응하는 쿨러 빔에 통합된 메인 채널은,
    상기 제2 방향을 따라 연장되며 상기 제2 벽과 마주하는 상기 제1 벽의 일 측면에 배치되는 제1 냉각 파이프; 및
    상기 제2 방향을 따라 연장되고 상기 제1 벽과 마주하는 상기 제2 벽의 일 측면에 배치되는 제2 냉각 파이프
    를 포함하는 전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 벽과 상기 제2 벽은 로드 또는 리브에 의해 서로 연결되고,
    상기 로드 또는 리브는 제1 냉각 파이프와 제2 냉각 파이프 사이에서 연장되는 전지 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    활성화 및 비활성화되도록 구성된 냉각 시스템;
    전지 관리 유닛; 및
    상기 복수의 셀 중 적어도 일부에 대해 상기 셀에서 열 이벤트가 발생하는지 여부를 감지하고, 열 이벤트가 감지되면 상기 전지 관리 유닛에 신호를 전송하도록 구성된 감지 시스템
    을 더욱 포함하고,
    상기 전지 관리 유닛은 상기 감지 시스템으로부터 신호를 수신하고 감지 시스템으로부터 신호를 수신하면 상기 냉각 시스템을 활성화하도록 구성되고,
    상기 냉각 시스템은 활성화될 때 각각의 메인 채널에 냉매를 공급하도록 더욱 구성된 전지 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 전지 시스템을 포함하는 차량.
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