KR20240024019A - 전지 시스템 및 전지 시스템을 포함하는 차량 - Google Patents

전지 시스템 및 전지 시스템을 포함하는 차량 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 전지 시스템은, 하우징, 상기 하우징에 수용되는 전지 셀, 상기 하우징을 밀봉하는 하우징 커버 및 상기 하우징 커버의 배면에 배치되는 반사 플레이트를 포함하는 전지 팩을 포함한다. 상기 전지 셀은 배기 측에 배치된 배기 출구를 가지며, 상기 하우징 커버는 배기 채널을 형성하고, 상기 하우징의 전면에는 상기 배기 출구를 향해 상기 배기 채널 내로 돌출되어 상기 배기 출구를 통해 배출되는 배기 가스 스트림을 상기 배기 채널로 안내하도록 구성된 가이드 돌출부가 제공되고, 상기 반사 플레이트와 상기 가이드 돌출부 사이에는 에어 갭이 제공된다.

Description

전지 시스템 및 전지 시스템을 포함하는 차량 {BATTERY SYSTEM AND VEHICLE INCLUDING THE BATTERY SYSTEM}
본 발명의 실시예는 전지 시스템 및 이를 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 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 팩의 열 제어를 제공하기 위해 이차 전지에서 발생하는 열을 효율적으로 방열, 방출 및/또는 소산하여 전지 모듈을 안전하게 사용할 수 있는 능동 또는 수동 열 관리 시스템이 전지 모듈에 포함된다 방열/방출/소산이 충분히 이루어지지 않으면 각 전지 셀 사이에 온도 편차가 발생하여 전지 모듈이 원하는(또는 설계된) 전력량을 더 이상 생성할 수 없게 된다. 또한, 전지 셀의 내부 온도가 상승하면 그 내부에서 비정상적인 반응이 일어나 이차 전지의 충방전 성능이 저하되고 이차 전지의 수명이 단축된다. 따라서, 전지 셀로부터 열을 효과적으로 방열/방출/소산하기 위한 전지 셀 냉각이 요구된다.
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.
일반적으로 전지 배기 개념은 열 폭주 상태의 전지 셀로부터 배출된 고온의 배기 가스 스트림이 전지 하우징 내부로 팽창하여 하우징 배기 밸브를 통해 외부(예를 들어, 전지 하우징의 외부 환경)로 배출되도록 하는 것이다. 그런데, 배기 가스 스트림은 전지 셀의 배기 출구를 대향하여 배치된 전지 하우징의 일 부분(예: 하우징 커버)을 포함하는 전지 하우징을 가열할 수 있다. 이로 인해 전지 팩 외부 표면의 온도가 매우 높아져 전지 시스템을 취급하는 작업자나 사용자가 전지 하우징에 접촉하는 경우, 화상을 입을 위험이 커진다. 또한, 가열된 부품으로 인해 주변 부품에 불이 붙어 화재가 발생할 가능성도 생긴다.
배기 가스 스트림은 흑연 분말 및 금속 조각과 같은 전도성 고형물(예: 물질)뿐만 아니라 고온이면서 독성이 있는 배기 가스를 포함할 수 있다. 이러한 전기 전도성 물질은 전지 셀 상단에 배치된 단자 및 버스 바와 같은 전기 활성 부품에 침착되어 단락 및 아크를 일으킬 수 있다. 따라서, 하나의 전지 셀의 열 폭주는 단락을 일으킬 수 있으며, 이에 따른 다른 전지 셀의 연속적인 열 폭주는 전지(예: 전지 팩), 전지 시스템 및 차량의 완전한 손상 또는 해체로 이어질 수 있다.
본 개시의 실시예들은 열 폭주 처리가 개선된 전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템은, 하우징, 상기 하우징에 수용되는 전지 셀, 상기 하우징을 밀봉하는 하우징 커버 및 상기 하우징 커버의 배면에 배치되는 반사 플레이트를 포함하는 전지 팩을 포함한다. 상기 전지 셀은 배기 측에 배치된 배기 출구를 가지며, 상기 하우징 커버는 배기 채널을 형성하고, 상기 하우징의 전면에는 상기 배기 출구를 향해 상기 배기 채널 내로 돌출되어 상기 배기 출구를 통해 배출되는 배기 가스 스트림을 상기 배기 채널로 안내하도록 구성된 가이드 돌출부가 제공되고, 상기 반사 플레이트와 상기 가이드 돌출부 사이에는 에어 갭이 제공된다.
본 개시의 다른 실시예에 따르면, 가이드 돌출부는 배기 채널의 대향 양측으로 배기 가스 스트림을 분기시키도록 구성된 가스 분할 돌출부일 수 있다. 가스 분할 돌출부는 전지 셀의 배기 출구를 마주하는 팁을 포함한 테이퍼 형상을 가질 수 있다.
전지 시스템은 전지 셀의 배기 측과 하우징 커버 사이에 배열된 셀 커버 부재를 더욱 포함할 수 있다. 셀 커버 부재는 전지 셀의 배기 출구와 정렬되는 개구를 포함하며, 전지 셀과 전지 셀의 전기 커넥터를 커버할 수 있다.
하우징 커버와 셀 커버 부재는 강제 및/또는 형태 잠금 방식으로 서로 연결될 수 있다.
반사 플레이트는 하우징 커버에 클린치 또는 브레이징되거나 밀봉된 리벳을 통해 하우징 커버에 연결될 수 있다.
하우징 커버는 반사 플레이트와 셀 커버 부재 사이에 탄성적으로 클램핑될 수 있다. 하우징 커버는 셀 커버 부재를 전지 셀의 배기 측에 클램핑하기 위한 클램핑-스프링으로서 작용할 수 있다.
하우징 커버는 반사 플레이트보다 높은 내열성을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 차량은 전술한 바와 같은 전지 시스템을 포함한다.
본 발명의 추가 측면 및 특징은 다음의 설명 및 첨부된 청구범위로부터 알 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 전지 시스템의 열 폭주 처리를 개선할 수 있다. 즉, 하나 이상의 전지 셀의 열폭주를 보다 안정적으로 처리하여 전지 시스템을 처리하는 작업자나 이를 사용하는 사용자가 전지 시스템에 의해 피해를 받지 않도록 할 수 있다.
본 개시의 상기 및 다른 측면 및 특징들은 첨부 도면들을 참조하여 예시적인 실시 예들의 다음의 상세한 설명으로부터 더 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 시스템의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 보다 상세하게 설명하며, 여기서 동일한 인용 부호는 전체에 걸쳐 동일한 요소를 지칭한다. 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 개시 내용의 측면 및 특징의 완전한 이해를 위해 당업자에게 필요하지 않은 프로세스, 요소 및 기술은 설명되지 않을 수 있다. 구성 요소 또는 층이 다른 구성 요소 또는 층의 "상에 있음", "연결됨", 또는 "결합됨"으로 언급될 때, 다른 구성 요소 또는 층 상에 있거나, 직접 연결되거나 결합될 수 있는 것 또는 하나 이상의 개재 구성 요소 또는 층이 존재할 수 있는 것으로 이해될 수 있다. 구성 요소나 층이 다른 구성 요소나 층에 "직접 있는", "직접 연결되어 있는" 또는 "직접 결합되어 있는"것으로 언급될 때, 중간에 있는 구성 요소나 층이 존재하지 않는다. 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, 요소, 층 및 영역의 상대적 크기는 명확성을 위해 과장 및/또는 단순화될 수 있다. 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타낸다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 하나 이상의 관련 나열된 항목의 임의의 및 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명할 때 "할 수 있는"의 사용은 "본 발명의 하나 이상의 실시예"를 의미한다. "적어도 하나의"과 같은 표현은 요소 목록 앞에 올 때 전체 요소 목록을 수정하고 목록의 개별 요소를 수정하지 않는다. 예를 들어, "a, b 또는 c 중 적어도 하나"라는 표현은 a 만, b 만, c 만, a와 b 모두, a와 c 모두, b와 c 모두, a, b 및 c 모두, 또는 그 변형을 나타낸다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "사용하다", "사용", "사용된"은 각각 "활용하다", "활용" 및 "활용된"라는 용어와 동의어로 간주될 수 있다.
비록 제1, 제2, 제3 등의 용어가 본 명세서에서 다양한 요소, 구성 요소, 영역, 층 및/또는 섹션을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소, 구성 요소, 영역, 층 및/또는 섹션이 이러한 용어에 의해 제한되어서는 안됨을 이해할 수 있을 것이다. 이러한 용어는 한 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션을 다른 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션과 구별하는데 사용된다. 따라서, 아래에서 논의되는 제1 요소, 구성 요소, 영역, 층, 또는 섹션은 예시적인 실시예의 교시에서 벗어나지 않으면서 제2 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션으로 지칭될 수 있다.
"아래에", "아래", "하부에", "위", "상에", "상부에" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 바에 따라 일 구성 요소 또는 특징을 다른 구성 요소 또는 특징과 상대적으로 비교하기 위한 것이다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 방향에 더하여 사용 또는 작동중인 장치의 다른 방향을 포함하도록 의도된 것임을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도면에서 장치가 뒤집힌 경우, "아래에" 또는 "밑에" 또는 "하부에"로 설명된 일 구성 요소는 다른 구성 요소에 대해 상대적으로 "위에" 또는 "상에" 또는 "상부에"로 향하게 된다. 따라서, 예시적인 용어 "아래" 및 "위에"는 위와 아래의 방향을 모두 포함할 수 있다. 또한, 도면에서 장치는 다른 방향(예: 90도나 다른 방향으로 회전)으로 배치될 수 있으며 여기에 사용된 공간적으로 상대적인 설명자는 그에 따라 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기위한 것이지 한정하려는 의도가 있는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들에 대한 다음의 설명에서, 단수형의 용어는 문맥 상 명백히 달리 나타내지 않는 한 복수형을 포함할 수 있다. 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.
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 "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.
본 명세서에 기술된 전기적 연결 또는 상호 연결은 예를 들어 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 다른 종류의 회로 캐리어 상의 와이어 또는 전도성 부재에 의해 실현될 수 있다. 전도성 부재는 표면 금속화와 같은 금속화, 및/또는 핀 및/또는 전도성 폴리머 또는 세라믹을 포함할 수 있다.
또한, 전자기 복사 및/또는 빛을 사용하는 것과 같은 무선 연결을 통해 전기 에너지가 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 따르면, 전지 팩을 포함하는 전지 시스템이 제공된다. 전지 팩은 하우징 및 하우징 내에 수용되는 적어도 하나의 전지 셀을 포함한다. 일부 실시예를 통해 전지 시스템은 하우징 내에 수용되는 복수의 전지 셀을 포함한다. 전지 셀은 하나 이상의 전지 모듈을 형성하기 위해 전지 셀 각각의 전극 단자와 접촉하는 버스 바를 통해 상호 연결될 수 있다. 전지 셀은 예를 들어 각형 또는 원통형의 전지 셀일 수 있다. 전지 셀은 배기 측에 배치되는 배기 출구를 가지며, 배기측은 전지 셀의 단자가 배치되는 측일 수 있다. 전지 셀의 열 폭주 시 발생된 배기 가스 스트림은 배기 출구를 통해 전지 셀을 빠져나갈 수 있다. 배기 밸브가 배기 출구 상에 또는 이의 내부에 제공될 수 있다.
전지 시스템은 하우징을 전지 팩의 외부로부터 밀봉하는 하우징 커버를 더욱 포함한다. 하우징 커버는 하우징의 일부일 수 있다. 하우징 커버는 커버 플레이트, 예를 들어 전지 시스템의 상부/상측에 배치되는 상부 커버 플레이트 또는 전지 시스템의 하부/하측에 배치되는 하부 커버 플레이트일 수 있다. 하우징 커버는 전지 셀이 하우징의 베이스에 삽입된 후에 하우징의 베이스에 결합될 수 있다. 하우징 커버는 하우징을 외부(예: 전지 시스템의 환경)에 대해 밀봉(예: 폐쇄)되도록 한다.
열 폭주 시, 하나 이상의 전지 셀에서 배출되는 배기 가스 스트림이 전지 하우징을 빠져나갈 수 있도록, 하우징 커버는 하우징 베이스와 같은 하우징의 다른 부위와 결합하여 전지 하우징의 외부로부터 전지 하우징의 내부를 밀봉할 수 있다. 이러한 목적을 위해 제공된 통로 예를 들어, 하우징의 벽에 배열된 배기 밸브만이 전지 시스템에 제공된다.
하우징 커버는 전지 팩을 외부로부터 기밀하게 밀봉할 수 있다.
하우징 커버는 배기 채널, 즉 열 폭주 시 적어도 하나의 전지 셀로부터 빠져나오는 배기 가스 스트림을 수용 및 안내하고, 가령 하우징 벽에 배열된 배기 밸브를 통해 배기 가스 스트림을 전지 셀로부터 전지 시스템의 외부로 유도하기 위한 채널을 형성한다. 하우징 커버는 전지 셀(들)의 배기 측 또는 전지 셀(들)의 배기 측에 배열된 셀 커버 부재와 조합하여 배기 채널을 형성할 수 있는데, 이에 대해서는 아래에서 더 자세히 설명하도록 한다.
하우징 커버는 전면이 전지 셀의 배기 출구를 향하는 전면과, 전면의 반대쪽, 즉 배기 출구와 반대 방향을 향하는 후면(또는 배면)을 포함한다. 하우징 커버의 전면 측에는 가이드 돌출부, 예를 들어 배출 가스 스트림을 안내하기 위한 돌출 부재가 배열된다. 가이드 돌출부는 일체형 가이드 돌출부, 예를 들어, 하우징 커버에 일체로 형성된 부위일 수 있다. 즉, 하우징 커버는 이의 전면에 가이드 돌출부를 형성할 수 있다. 가이드 돌출부는 하우징 커버 내로 또는 하우징 커버를 향한 돌출부일 수 있다.
가이드 돌출부는 적어도 하나의 전지 셀의 배기 출구를 향해 돌출되고, 나아가 배기 채널 내로 돌출될 수 있다. 가이드 돌출부는 열 폭주 이벤트 시 전지 셀의 배기 출구를 통해 배출되는 배기 가스 스트림을 배기 출구에서 멀어지게 안내할 수 있도록 구성된다. 가이드 돌출부는 배기 가스 스트림을 2개의 서브 스트림으로 분할하고 이러한 서브 스트림이 배기 채널에서 서로 반대 방향으로 향해 흐를 수 있도록 구성되는 바, 이에 대해서는 아래에서 더욱 자세히 설명하도록 한다. 가이드 돌출부는 배기 가스 스트림이 배기 채널을 따라 전지 셀 및 배기 출구로부터 멀어지도록 안내한다. 이를 통해 배출 가스 스트림이 빠르면서도 안정적으로 이송될 수 있다. 또한, 배기 가스 스트림은 배기 채널의 벽, 하우징 커버 및 전지 셀의 배기 측 또는 셀 커버 부재와 같은 주변 부재로 이루어지는 전달을 통해 온도를 낮출 수 있 수 있다. 또한 가이드 돌출부는 공기 역학적으로 효율적인 설계를 가짐으로써 배기 가스 스트림의 배출 동안 발생하는 압력 강하를 감소시킬 수 있고 배출 가스 스트림과 함께 이송되는 부산물(예: 용융 입자)에 대한 수집기로도 작용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전지 시스템은 하우징 커버의 배면에 배치되는 반사 플레이트를 포함할 수 있다. 반사 플레이트 또는 반사 플레이트와 하우징 커버의 조합은 반사 플레이트와 하우징 커버의 가이드 돌출부 사이에 에어 갭을 형성하도록 구성된다. 예를 들어, 반사 플레이트와 하우징 커버 사이에 빈 공간이 마련되고 이 빈 공간이 공기로 채워진다. 이 여유 공간은 가이드 돌출부의 부위로, 예를 들어, 가이드 돌출부의 배면으로 하우징 커버와 반사 플레이트 사이에 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이 가이드 돌출부는 하우징 커버의 전면에 돌기 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 하우징 커버의 배면에는 상응하는 오목부 또는 홈이 형성될 수 있다. 반사 플레이트는 이러한 움푹 들어간 부분 또는 오목한 부분을 덮어서 반사 플레이트와 하우징 커버 사이에 에어 갭을 형성할 수 있다. 반사 플레이트는 전지 시스템 하우징의 일부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 반사 플레이트는 하우징 커버의 후면, 즉 외측에 배치되는 바, 이에 외부로부터 반사 플레이트에 접근이 가능하다. 이러한 반사 플레이트는 적외선을 포함한 열 복사를 반사하도록 구성될 수 있다.
전지 셀의 열 폭주 중에 가이드 돌출부를 포함한 하우징 커버는 배기 가스 스트림으로부터 열 에너지를 받아 실질적으로 가열되게 된다. 여기서 열은 전도를 통해 하우징 커버의 외측으로 하우징 커버를 이동하게 된다. 이 때, 열은 복사를 통해 주변 공기로 전도될 수 있다. 하우징 커버의 외측, 예를 들어, 적어도 가이드 돌출부의 위치에 배치된 반사 플레이트는 가열된 하우징 커버(예: 가열된 가이드 돌출부)에 의해 방출되는 적외선을 포함한 열 복사를 반사한다. 이에 따라, 반사 플레이트에 의한 에너지 흡수는 줄어 들 수 있다. 또한, 하우징 커버와 반사 플레이트 사이에 배치된 에어 갭은 반사 플레이트에 대한 단열재 역할을 할 수 있다. 이로 인해 하우징 커버에서 반사 플레이트로 이어질 수 있는 열 전달은 더욱 감소될 수 있다. 따라서 반사 플레이트와 전지 시스템의 외측이 위험할 정도로 가열되는 것이 방지될 수 있다. 이와 같이 본 발명의 실시예는 관련 기술의 커버 플레이트에 비해 하우징/전지 시스템의 외측 표면의 상당히 낮은 가열을 제공할 수 있다. 이를 통해 화상 위험을 줄여 전지 시스템의 외측과 접촉 가능성이 있는 작업자/사용자의 부상 위험을 줄일 수 있다. 또한, 전지 시스템을 포함한 차량 내 주변 부품의 발화를 완화 또는 방지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 가이드 돌출부는 배기 가스 스트림이 배기 채널 내에서 서로 반대 "?향으?* 편향되도록 배기 가스 스트림을 분할하도록 구성된 가스 분할 돌출부로 구성될 수 있다. 일부 실시예를 통해 가스 분할 돌출부는 대응하는 전지 셀의 배기 출구를 향하는, 다시 말해 이와 정렬되는 팁을 갖는 테이퍼 형상을 가질 수 있다. 가스 분할 돌출부는 배기 가스 스트림을 반대 방향, 예를 들어, 배기 채널의 종방향 연장에 수직한 방향을 따라 흐르는 2개의 서브 스트림으로 분리할 수 있다. 가스 분할 돌출부의 팁은 배기 출구 중앙에서 배기 출구 바로 맞은 편에 배열된다. 이에 배기 출구를 통해 배출된 배기 가스 스트림은 그 중심부를 팁에 부딪치게 되고 이에 따라 배기 가스 스트림은 실질적으로 동일한 크기를 갖는 2개의 서브 스트림으로 분할된다. 따라서 가스 분할 돌출부는 배기 채널의 폭을 따라, 예를 들어, 배기 채널의 종방향 연장에 수직인 방향을 따라 배기 가스 스트림을 균일하게 분포시킬 수 있다. 이로 인해 배기 가스 스트림은 빠르고도 안정적으로 이송될 수 있다. 더불어, 배기 가스 스트림은 배기 채널의 벽, 하우징 커버 및 전지 셀의 배기 측 또는 셀 커버 부재와 같은 주변 부재로 열 에너지를 전달할 수 있어 이를 통해 냉각이 가능해진다. 이와 같이 본 발명의 실시예는 배기 채널 내에서 배기 가스의 보다 효과적인 분포를 제공할 수 있고, 이로 인해 더 효과적인 냉각을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전지 시스템은 적어도 하나의 전지 셀의 배기 측과 하우징 커버 사이에 배열된 셀 커버 부재를 더욱 포함한다. 셀 커버 부재는 전기 커넥터(예: 셀 단자 및/또는 전지 셀을 전지 시스템의 다른 전지 셀에 연결하는 버스 바)를 포함하는 적어도 하나의 전지 셀을 커버한다. 셀 커버 부재는 배기 출구를 빠져나가는 배기 가스 스트림이 셀 커버 부재를 통과할 수 있도록 적어도 하나의 전지 셀의 배기 출구와 정렬된 적어도 하나의 개구를 더욱 포함한다. 실시예를 통해 셀 커버 부재는 배기 가스 스트림이 셀 커버 부재의 배기 측과 전기 커넥터와 접촉하지 않도록 전기 커넥터를 포함하여 적어도 하나의 전지 셀을 커버한다. 이에 따라, 셀 커버 부재는 배기 가스 스트림에 존재하는 임의의 전도성 물질을 포함한 배기 가스 스트림으로부터 전기 커넥터를 차폐할 수 있다. 이로 인해 배기 가스 스트림에 포함된 전도성 물질이 전기 커넥터 상에 증착되어 유발되는 단락을 방지할 수 있다. 실시예를 통해 배기 가스 스트림에 포함된 전도성 물질은 셀 커버 부재 또는 가스 분할 돌출부 상에 증착되거나 배기 채널을 따라 배기 가스 스트림과 함께 멀리 이송될 수 있다. 배기 채널은 셀 커버 부재와 하우징 커버 사이에 형성될 수 있다. 따라서 셀 커버 부재는 배기 가스 스트림으로부터 전지 셀의 전기 부재를 보호할 수 있고 이에 따라 단락이 방지될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하우징 커버와 셀 커버 부재는 강제 잠금 및/또는 형태(또는 형상) 잠금 방식으로 서로 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하우징 커버는 반사 플레이트와 셀 커버 부재 사이에 탄성적으로 클램핑된다. 이 실시예에서, 하우징 커버는 클램핑-스프링으로서 작용하여 셀 커버 부재를 적어도 하나의 전지 셀의 배기 측에 클램핑할 수 있다. 이에 하우징 커버는 클램핑을 제공하는 스프링 부재를 포함할 수 있다. 스프링 부재는 하우징 커버에 통합될 수 있습니다. 스프링 부재는 리프(leaf) 스프링이거나 이를 형성할 수 있다. 즉, 하우징 커버는 만곡된 형상을 가질 수 있고, 스프링 부재는 하우징 커버의 만곡된 부위로 형성되어 판 스프링과 같은 역할을 할 수 있다. 이에 따라 셀 커버 부재는 하우징 커버의 스프링 부재가 발휘하는 탄성 변형에 의해 지지(또는 고정)될 수 있다. 이를 통해 전지 시스템의 제조를 간단히 이룰 수 있고 재작업이나는 재활용을 위한 분재 작업 또한 더 용이하게 이룰 수 있다.
일 실시예에 따르면, 반사 플레이트는 하우징 커버에 클린치(clinched) 또는 브레이징(brazing)되거나 밀봉된 리벳을 통해 하우징 커버에 연결될 수 있다. 따라서 하우징 커버와 반사 플레이트는 온도에 영향을 받지 않고 높은 내열성을 제공하는 방식으로 결합될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하우징 커버는 반사 플레이트보다 내열성이 높다. 하우징 커버는 재질의 선택에 따라 반사 플레이트보다 내열성이 높을 수 있으며, 이는 하우징 커버가 반사 플레이트보다 내열성이 높은 재질로 이루어질 수 있음을 의미한다.
하우징 커버는 예를 들어 스틸로 만들어질 수 있다. 반사 플레이트는 방사율이 낮은 물질로 만들어질 수 있는데, 이는 열/적외선 복사를 대부분 반사한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 반사 플레이트는 낮은 방사율을 갖는 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 다른 실시예에서, 반사 플레이트는 낮은 방사율을 갖는 세라믹으로 만들어질 수 있다. 일부 실시예에서, 반사 플레이트는 낮은 방사율을 제공하는 코팅을 포함할 수 있다. 이를 통해 하우징 커버는 배출 가스 스트림의 고온을 견딜 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 위에서 설명한 전지 시스템을 포함하는 차량을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템(100)의 사시도이다. 전지 시스템(100)은 하우징(11)을 포함하는 전지 팩(10)과 하우징(11) 내에 수용된 복수의 전지 셀(12)을 포함한다. 도 1에는 편의상 전지 셀(12) 중 하나만이 도시되었다. 전지 셀(12)은 배기 측(13)에 배치된 배기 출구(14)를 가진다. 배기 출구(14)는 전지 셀(12) 내부에서 열 폭주가 발생하는 동안 전지 셀(12)을 빠져나가는 배기 가스 스트림을 방출할 수 있도록 구성된다.
하우징(11)의 하우징 커버(20)는 하우징(11)을 전지 팩(10)의 외부로부터 밀봉하고 셀 커버 부재(40)와 함께 배기 채널(24)을 형성한다. 하우징 커버(20)는 배기 채널(24) 내로 전지 셀(12)의 배기 출구(14)를 향해 돌출된 가이드 돌출부(22)를 갖는 전면(20a)을 포함한다. 가이드 돌출부(22)는 전면(20a)에 일체로 구성된다. 본 실시예에서 가이드 돌출부(22)는 대략 중심부로 갈수록 점점 가늘어진 형태의 팁(tip)(23)을 포함한 테이퍼 형상을 가지고 배기 출구(14)를 향하도록, 예를 들어, 도 1를 기준으로 볼 때, 배기 출구(14) 상에 정렬된 가스 분할 돌출부로서 이루어진다. 하우징 커버(20)는 스틸(steel)로 이루어질 수 있다.
셀 커버 부재(40)는 전지 셀(12)의 배기 측(13)과 하우징 커버(20) 사이에 배열되어 전기 커넥터(16)를 포함하는 전지 셀(12)을 커버한다. 여기서 전기 커넥터(16)는 예를 들어, 전지 팩(10)에서 전지 셀(12)과 다른 전지 셀(12)을 상호 연결하는 전극 단자 및/또는 버스 바를 들 수 있다. 셀 커버 부재(40)는 전지 셀(12)의 배기 출구(14)와 정렬된 개구(42)를 가지며 배기 가스는 이 개구(42)를 통해 셀 커버 부재(40)를 통과할 수 있다.
하우징 커버(20)의 전면(20a)에 대향하는 배면(20b)에는 반사 플레이트(30)가 배치되는데, 이 반사 플레이트(30)와 하우징 커버(20)의 가이드 돌출부(22) 사이에 에어 갭(air gap)(32)이 형성된다. 반사 플레이트(30)는 하우징 커버(20)에 클린치(clinched) 또는 브레이징(brazing)되거나 밀봉된 리벳을 통해 하우징 커버(20)에 연결될 수 있다. 이러한 반사 플레이트(30)는 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
전지 셀(12)의 열 폭주 시, 발생된 배기 가스 스트림은 배기 출구(14)를 통해 배출되어 셀 커버 부재(40)의 개구(42)를 통과해 가이드 돌출부(22)에 부딪친다. 이에 따라 배기 가스 스트림은 가이드 돌출부(22)에 의해 실질적으로 동일한 부피의 2개의 서브 스트림으로 분할되고, 이 2개의 서브 스트림은 도 1에 점선 화살표로 도시된 바와 같이 배기 채널(24) 내서 서로 반대 방향을 향하도록 편향된다. 이 때, 배기 가스 스트림에 존재하는 물질(또는 부산물)은 가이드 돌출부(22) 상에 퇴적될 수 있다.
상기한 과정에서 하우징 커버(20)는 배기 가스 스트림의 매우 높은 온도에 노출되며 이의 가이드 돌출부(22)는 배기 가스 스트림에 집중적으로 노출된다. 따라서, 하우징 커버(20)는 스틸과 같은 고온 저항성 재료로 만들어질 수 있다. 반사 플레이트(30)는 가이드 돌출부(22)의 배면(20b)을 마주하는 하우징 커버(20)의 외측에 배치되어 가열된 하우징 커버(20) 및 가이드 돌출부(22)에서 방출되는 적외선을 포함하는 열 복사를 반사한다. 이에 따라, 더 적은 에너지(예를 들어, 열 에너지)가 반사 플레이트(30)에 의해 흡수된다.
또한, 하우징 커버(20)와 반사 플레이트(30) 사이에 제공된 에어 갭(32)은 반사 플레이트(30)의 단열재로서 역할을 한다. 그 결과, 하우징 커버(20)에서 반사 플레이트(30)로의 열 전달이 더욱 감소될 수 있다.
따라서, 반사 플레이트(30) 및 전지 시스템(100)의 외측은 열 폭주 시 위험한 온도까지 가열되는 것이 방지될 수 있다. 이처럼 본 발명의 실시예는 관련 기술의 커버 플레이트보다 전지 시스템(100)의 외부 표면의 상당히 낮은 가열을 제공할 수 있다. 이를 통해 전지 시스템(100)의 외측과 접촉할 수 있는 작업자 또는 사용자가 부상을 입을 위험이 감소될 수 있다. 또한, 전지 시스템(100)을 포함하는 차량 내 주변 부품의 점화가 완화 또는 방지될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전지 시스템(100')을 나타내는 사시도이다.
도 2의 전지 시스템(100')은 하우징 커버(20)가 일체형 스프링 부재(26)를 포함한다는 점에서만 도 1에 도시된 전지 시스템(100)과 상이하다. 본 실시예에서, 하우징 커버(20)는 반사 플레이트(30)에 의해 셀 커버 부재(40)에 대해 가압된다. 따라서, 하우징 커버(20)는 셀 커버 부재(40)를 전지 셀(12)의 배기 측(13)에 클램핑하기 위한 클램핑 스프링으로서 작용한다.
이를 통해 하우징 커버(20)와 셀 커버 부재(40) 사이에 연결 장치 또는 연결 부재가 필요하지 않은 비교적 간단한 구성이 허용될 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 팩
11 하우징
12 전지 셀
13 배기 측
14 배기 출구
16: 전기 커넥터
20 하우징 커버
20a 전면
20b 배면
22 가이드 돌출부
23 팁
24 배기 채널
26 스프링 부재
30 반사 플레이트
32 에어 갭
40 셀 커버 부재
42 개구
100, 100' 전지 시스템

Claims (11)

  1. 하우징, 상기 하우징에 수용되는 전지 셀, 상기 하우징을 밀봉하는 하우징 커버 및 상기 하우징 커버의 배면에 배치되는 반사 플레이트를 포함하는 전지 팩을 포함하고,
    상기 전지 셀은 배기 측에 배치된 배기 출구를 가지며,
    상기 하우징 커버는 배기 채널을 형성하고, 상기 하우징의 전면에는 상기 배기 출구를 향해 상기 배기 채널 내로 돌출되어 상기 배기 출구를 통해 배출되는 배기 가스 스트림을 상기 배기 채널로 안내하도록 구성된 가이드 돌출부가 제공되고,
    상기 반사 플레이트와 상기 가이드 돌출부 사이에는 에어 갭이 제공되는 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 돌출부는 상기 배기 채널의 대향 양측으로 상기 배기 가스 스트림을 분기시키는 가스 분할 돌출부인 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스 분할 돌출부는 상기 배기 출구를 마주하는 팁을 포함한 테이퍼 형상을 가진 전지시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배기 측과 상기 하우징 커버 사이에 배치되는 셀 커버 부재를 더욱 포함하고,
    상기 셀 커버 부재는 상기 전지 셀의 배기 출구와 정렬된 개구를 포함하고, 상기 전지 셀의 전기 커넥터를 커버하는 전지 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하우징 커버와 상기 셀 커버 부재는 형태 잠금 방식으로 서로 연결되는 전지 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 하우징 커버는 상기 반사 플레이트와 상기 셀 커버 부재 사이에 탄성 클램핑되는 전지 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 하우징 커버는 클램핑-스프링으로서 작용하여 상기 셀 커버 부재를 상기 전지 셀의 배기 측에 클램핑하는 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반사 플레이트는 상기 하우징 커버에 클린치 또는 브레이징되는 전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반사 플레이트는 밀봉 리벳을 통해 상기 하우징 커버에 연결되는 전지 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 커버는 상기 반사 플레이트보다 내열성이 높은 전지 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 전지 시스템을 포함하는 차량.
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