WO2018084439A1 - 전지 시스템 - Google Patents

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WO2018084439A1
WO2018084439A1 PCT/KR2017/010829 KR2017010829W WO2018084439A1 WO 2018084439 A1 WO2018084439 A1 WO 2018084439A1 KR 2017010829 W KR2017010829 W KR 2017010829W WO 2018084439 A1 WO2018084439 A1 WO 2018084439A1
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WO
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battery
ridge
battery system
vent hole
aligned
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Application number
PCT/KR2017/010829
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Inventor
고루브코브안드레
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery system, and more particularly to a battery system comprising a battery cover configured to prevent thermal runaway propagation.
  • a rechargeable battery is different from a primary battery that only reversibly converts electrical energy from chemical energy in that charging and discharging may be repeatedly performed.
  • the low capacity secondary battery can be used as a power source for small electronic devices such as mobile phones, notebook computers and camcorders, and the high capacity secondary battery is used as a motor driving power source such as a hybrid vehicle.
  • a secondary battery in general, includes an electrode assembly including a positive electrode and a negative electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, a case housing the electrode assembly, and an electrode terminal electrically connected to the electrode assembly.
  • the electrolyte is injected into the case so that the secondary battery can be charged and discharged through the electrochemical reaction of the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte.
  • the case may be cylindrical or rectangular, depending on the purpose and use of the case.
  • the secondary battery may use a battery module formed of a plurality of unit cells connected in series and / or in parallel to, for example, drive a motor of a hybrid vehicle requiring high energy density. That is, the battery module is formed by connecting the electrode terminals of the plurality of battery cells to each other, and by connecting the electrode terminals of the plurality of unit batteries corresponding to the required amount of power to each other, for example, a secondary battery having a high output for driving a motor of an electric vehicle Can be implemented.
  • the battery module may be implemented in a block or modular manner.
  • each of the battery cells is coupled to one common current collector structure and a common battery management system and disposed inside the housing.
  • a plurality of battery cells are connected to a sub module, and the plurality of sub modules are connected to each other to form a module.
  • the battery management function can be implemented at least partially at the module or submodule level, thereby improving compatibility.
  • one or more battery modules are equipped with a thermal management system and are mechanically and electrically integrated and configured to be in communication with one or more electricity consuming devices.
  • each component eg, a connection structure between battery submodules and a connection structure with an electric consuming device such as an automobile
  • This connection structure will have to be implemented such that the life and life expectancy of the battery system and the functionality and safety are maintained while using the electricity consumption device.
  • footprint and compatibility requirements should be considered, especially in mobile applications.
  • Carrier plates (eg, ground plates) can be provided to achieve mechanical integration of the battery modules, and each battery cell or submodule can be placed thereon.
  • the fixing of the battery cell or submodule to the carrier plate may be achieved by inserting the battery cell or submodule into a recessed space of the carrier plate, mechanically connecting the same by using bolts or screws, or inserting the battery cell or submodule.
  • the loading method may fasten the side plate of the cell with the side of the carrier plate or subsequently provide another carrier plate at the top to secure it with the carrier plate and / or the side plate located at the bottom.
  • the battery module may be installed in a multilayer structure, and the carrier plate and / or the side plate may include a coolant duct to cool the battery cell or the submodule.
  • mechanically reinforced electrical connectors can be provided or the electrical connectors can be secured together with the battery cells to the carrier beam or strut member.
  • the battery submodules may be disposed in cases respectively covering some or all of the surfaces of the submodules and provided in the battery module, for example, on the carrier plate.
  • a battery module implemented in a modular manner includes a plurality of battery cells connected in parallel with each other, and the sub modules are connected in series with each other (XsYp) or the sub modules are connected in series with each other. It includes a plurality of battery cells, the sub module provides for being connected in parallel to each other (XpYs).
  • the submodule having the XsYp type of connection is capable of high output, but the wiring complexity is increased because the voltage of each battery cell must be controlled individually.
  • the sub-module having the XpYs type of connection the voltages of the battery cells connected in parallel are automatically balanced.
  • the XpYs type submodule reduces wiring complexity, so that voltage control at the submodule level is sufficient.
  • the capacitances of the cells are summed, and therefore, XpYs type submodules are mostly used for low capacity cells.
  • Information exchange of the battery system may, for example, communicate the actual state of charge (SoC), potential electrical performance, chargeability, and internal resistance of the battery system, as well as the actual or expected required power of the surplus battery consuming device.
  • SoC state of charge
  • the battery system is usually equipped with a battery management system for processing this information.
  • the battery thermal management system can cool the secondary battery by efficiently generating, releasing, and / or dissipating heat generated from the secondary battery for safe use of the battery module.
  • Abnormal operating conditions of secondary batteries are, for example, thermal runaway of battery cells, which may be caused by overheated or overcharged lithium ion cells.
  • the critical temperature at which thermal runaway occurs is typically 150 ° C. or higher and can be triggered by failures or failures such as internal short circuits, poor electrical contact, short circuits with adjacent cells.
  • Thermal runaway is a chemical reaction inside a cell that accelerates itself until all the materials are consumed, producing a large amount of heat and gas.
  • a cell that is abnormally operated may be heated to a temperature of 700 ° C. or higher, and hot gas may be discharged to a battery system in large quantities. Thus, a large amount of heat can be released to adjacent cells.
  • the neighboring cells receive heat conducted through the side plate, base plate, or the electrical connector, and thus are easily followed by thermal runaway.
  • convective heat transfer to adjacent battery cells increases the risk of thermal runaway propagation to a plurality of spaced apart battery modules.
  • thermal runaway propagates throughout the battery module, leading to ignition of the battery and / or total loss of the electric vehicle.
  • the battery system is partitioned to receive the discharged gas, for example to prevent the gas discharged by the check valve from flowing back into the section in which the battery cell is arranged, or to prevent the gas from flowing into the cabin.
  • It may include an exhaust chamber.
  • the exhaust chamber typically requires additional space, thus reducing the energy density of the battery system.
  • a battery system comprising at least one plurality of aligned battery cells arranged along a first direction.
  • Each battery cell has an electrode assembly housed in a battery case, respectively, and a cap assembly is disposed in the battery case to seal the battery case.
  • a vent hole is provided inside the cap assembly, and the vent hole is configured for releasing gas in the event of an abnormal operation such as, for example, thermal runaway.
  • a battery system cover for covering a plurality of aligned battery cells. That is, the battery case cover may be provided to seal the battery system.
  • the battery system cover includes at least one ridge portion disposed on a lower surface thereof to face a plurality of the battery cells aligned. That is, at least one ridge portion protrudes downward from the lower surface of the battery system cover.
  • the ridge portion extends in the first direction y to align with the vent holes formed in the aligned plurality of battery cells.
  • the ridge portion is configured to deflect gas ejected from the vent hole along a second direction x substantially perpendicular to the first direction y.
  • the second direction forms an angle between 85 degrees and 95 degrees with the first direction y. More preferably, the first direction y and the second direction x are perpendicular to each other.
  • the present invention provides the improved battery system cover, wherein the ridge portion forming geometry for deflecting gas in a direction different from the direction in which the battery cells are aligned (the first direction) in the battery system.
  • the battery cells arranged in the aligned direction in the battery system may directly contact each other, and may be disposed to have a shorter distance from each other than battery cells not arranged in the aligned direction.
  • Heat transfer between the battery cells arranged in the aligned direction causes heat conduction through direct contact of the adjacent battery cells or through an electrical inter connector such as a base plate or a metal busbar, for example. Due to the small distance between the battery cells arranged in the aligned direction, the heat transfer between the cells adjacent in this direction is particularly high.
  • the phenomenon of releasing gas from the battery cell refers to an abnormal operating state, and the gas is discharged from the battery cell at high temperature and high speed.
  • the gas temperature is usually 700 ° C. and the gas velocity is 300 m / s.
  • a discharge gas jet is emitted by the vent hole of the battery cell and flows toward the space immediately above the vent hole.
  • the cover deflects gas.
  • a typical battery system cover deflects gas uniformly in all directions, so that a substantial portion of the hot gas will be deflected from the battery cover to the adjacent cells aligned with the abnormal battery cells along the aligned direction of the battery cells. Can be.
  • convective heat transfer by hot gases adds additional thermal burden to adjacent battery cells already at risk, increasing the risk of thermal runaway propagation.
  • the released gas is deflected in another direction approximately perpendicular to the aligned direction, toward the battery cell that is not aligned with the abnormal battery cell, that is, toward the battery cell not in direct contact with the abnormal battery cell. Biased. Accordingly, the amount of exhaust gas and the thermal burden on the adjacent cells arranged in the same alignment direction as the abnormal battery cells are reduced, and the thermal energy of the battery system is evenly distributed throughout. Due to the even thermal energy distribution of the battery system, the adjacent cells in the alignment direction with the abnormal battery cells can always be kept below the threshold temperature, and thus the propagation of thermal runaway can be reduced.
  • the battery system cover to which the gas jet discharged from the vent hole is contacted has an increased melting resistance versus thickness. Thus, the risk of burning the cover is reduced, and mechanical stability and robustness against pressure are increased.
  • the vent holes of the aligned plurality of battery cells are aligned in the first direction. That is, all of the plurality of vent holes for the aligned plurality of battery cells are arranged in a straight line or approximately straight line.
  • the ridge portion extends substantially parallel to the straight line and is aligned with the plurality of vent holes. More preferably, at least one ridge portion is spaced apart from the vent hole along a third direction substantially perpendicular to the first direction and the second direction.
  • the first direction and the second direction are on the x-y-plane and the third direction corresponds to the height of the z-direction or the x-y-plane.
  • the ridge portion arranged or aligned in the plurality of battery cells means the battery system cover covering the plurality of battery cells aligned in the battery system, for example, the system cover prepared in an installation position through a facility. .
  • the ridge portion is gradually tapered toward the battery cell at the cross section along the second direction. That is, the ridge portion is wider as the end portion of the ridge portion perpendicular to the extension in the longitudinal direction is closer to the flat portion of the battery system cover, and gradually narrower as it is farther away. Accordingly, the tip of the ridge portion faces the vent hole of the battery system and a plurality of the battery cells, particularly the battery cells arranged directly below.
  • the ridge portion includes a first ridge side portion and a second ridge side portion extending from the tip toward the flat portion of the battery system cover. An angle is formed between the first ridge side portion and the second ridge side portion and may meet at the tip of the ridge portion.
  • the first ridge side portion is configured to deflect the gas ejected in the second direction from the vent hole, and the second ridge side portion is ejected from the vent hole in a direction opposite to the second direction. And deflect the gas which has been produced. That is, the discharged gas is separated at the ridge portion, and some of the gases are deflected opposite to each other. This reduces the amount of convective heat delivered to each side of the aligned plurality of battery cells and distributes them to a larger number of battery cells.
  • the ridge portion is formed such that the cross section along the second direction is substantially triangular. On the other hand, the cross section may form a substantially trapezoid.
  • the first ridge side portion and the second ridge side portion each have a concave shape in the cross section along the second direction.
  • the concave side may form a triangle in which the bottom edge of the triangle becomes the tip of the ridge portion.
  • the ridge portion is further configured to cool the gas discharged from the vent hole of the battery cell.
  • the ridge is the first feature of the cell system that strikes a gas jet.
  • cooling the gas jet at the ridge can further reduce the amount of heat distributed across the cell system.
  • the ridge portion is configured to cool the gas discharged from the vent hole by including at least one refrigerant duct, i.e., a hollow portion attached or disposed at one or more of the ridge portions for carrying the refrigerant.
  • the at least one ridge portion may further include a refrigerant port for providing a refrigerant to the refrigerant duct.
  • At least one of the ridge portions and / or the battery system cover is a material having a high thermal conductivity, preferably a metal.
  • a heat sink is disposed on top of the battery system cover opposite one of the ridge portions.
  • the battery system is a plurality of battery modules spaced apart from each other in the second direction.
  • the battery module includes a plurality of the battery cells arranged in alignment with the first direction, respectively.
  • the battery system further includes the battery system cover having a plurality of ridges spaced apart from each other in the second direction.
  • Each of the ridge portions extends in the first direction and is aligned with one of the battery modules, that is, the vent holes of the aligned plurality of battery cells of the battery module.
  • each of the ridge portions is configured to deflect gas jets injected from the battery cells of one battery module toward the battery module perpendicular to the longitudinal direction of the battery module.
  • a plurality of the ridge portions extending along the battery system cover further provide improved mechanical stability of the cover.
  • each of the battery cells further includes a positive electrode terminal and a negative electrode terminal, and the vent holes of each of the battery cells are disposed at a distance from the positive electrode terminal and the negative electrode terminal. do. That is, any physical contact between at least one of the ridge portions and the positive terminal or the negative terminal is avoided. Thus, there is no electrical connection between one of the positive terminal and the negative terminal and at least one of the ridge portions, so a short circuit between the terminal and the cover is avoided.
  • the positive electrode terminal and the negative electrode terminal are spaced apart from each other in the second direction, and the vent hole is disposed between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal.
  • the battery system further comprises a housing for accommodating a plurality of the battery cells, wherein the battery system cover is configured to be attached to the housing.
  • the housing preferably includes a bottom plate that can be configured by the bottom surface of the battery system.
  • the bottom plate may include cooling means for cooling the battery cell on an upper surface thereof.
  • the housing further includes a pair of first housing sidewalls facing each other and a pair of second housing sidewalls. The sidewalls are attached to the bottom plate, each of the first housing sidewalls is attached with two second housing sidewalls, and each of the second housing sidewalls is attached with two first housing sidewalls.
  • a plurality of the battery cells and other components of the battery system can be inserted into the housing through an open top surface of the housing.
  • the battery system cover is configured to be attached to the housing to cover the open surface of the housing.
  • One or more of the ridges of the cover may be aligned with respect to the vent hole as described above, and the battery system cover is attached to the housing.
  • the at least one side wall surrounding the housing in the second direction includes the exhaust port for discharging gas blown out of the vent hole and deflected from the at least one ridge portion. That is, the exhaust port is provided in a direction in which gas is deflected by one or more of the ridge portions. Thus, reliable discharge of the gas discharged from the housing is ensured.
  • the gas ejected from the battery cells of the battery system can be dispersed far from adjacent cells arranged along the first direction, thereby reducing the risk of thermal runaway propagation of the battery system.
  • the ridge portion is additionally configured to cool the gas discharged from the vent hole of the battery cell, thereby effectively dissipating heat generated from the discharged gas.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery cell according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a battery cell according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a side view and a plan view of a battery system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a side view of a battery system and a bottom view of a battery system cover according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a side view of a battery system and a bottom view of a battery system cover according to the prior art.
  • FIG. 6 is a side view of the battery system according to the second embodiment of the present invention and a detailed view (D) of detailed versions A and B of the ridge portion.
  • the terms “substantially”, “about” and similar terms are used as approximations and not as degree terms, and are intended to describe inherent variations in measured or calculated values that are apparent to those skilled in the art.
  • the term “substantially” refers to a range of +/- 5% of the value centered around that value.
  • the use of “can” when describing embodiments of the invention means “one or more embodiments of the invention”.
  • the terms “top” and “bottom” are defined along the z-axis. For example, the top cover is located at the top of the z axis and the bottom cover is located at the bottom.
  • FIG. 1 is a perspective view of a battery cell according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG.
  • the battery cell 80 includes an electrode assembly 10 and a case 26 accommodating the electrode assembly 10 and an electrolyte.
  • the battery cell 80 may include a cap assembly 30 to seal the opening of the case 26.
  • the battery cell 80 is exemplified as a lithium ion secondary battery having a rectangular structure, but is not limited thereto.
  • the electrode assembly 10 may be made as an electrode assembly in the form of a jelly-roll in which the anode 11 and the cathode 12 are spirally wound with the separator 13 interposed therebetween.
  • the positive electrode 11 and the negative electrode 12 may include a current collector formed of a thin gold foil coated with an active material, and a positive electrode non-coating portion and a negative electrode non-coating portion 11a, 12a on which the active material is not coated on the current collector.
  • the coating area of the anode 11 may be formed by coating an active material such as a transition metal oxide on a substrate formed of a metal foil such as aluminum, for example.
  • the coating area of the cathode 12 may be formed by coating an active material such as carbon or graphite on a substrate formed of a metal foil such as copper or nickel.
  • the positive electrode non-coating portion 11a may be formed at one end in the electrode length direction of the positive electrode 11, and the negative electrode non-coating portion 12a may be formed at one end in the electrode length direction of the negative electrode 12.
  • the positive electrode non-coating portion 11a and the negative electrode non-coating portion 12a may be located on the side opposite to the coating area.
  • the separator 13 may include a plurality of separators spirally wound together with the anode 11 and the cathode 12 and alternately disposed between the anode 11 and the cathode 12.
  • the present invention is not limited thereto, and the electrode assembly 10 may be configured in a structure including a plurality of sheets in which the anode 11, the separator 13, and the cathode 12 are repeatedly stacked.
  • the electrode assembly 10 may be accommodated together with the electrolyte solution in the case 26.
  • the electrolyte may be formed using a lithium salt such as LiPF 6 or LiBF 4 and an organic solvent such as EC, PC, DEC, EMC, EMC, or the like.
  • the electrolyte may be in a liquid, solid or gel state.
  • the case 26 may be configured in a substantially rectangular parallelepiped shape, and an opening may be formed in one surface.
  • the case 26 may be formed of a metal such as aluminum, for example.
  • the case 26 includes a generally rectangular bottom surface to form a space for receiving the electrode assembly 10, and is vertically connected to the pair of wide first case side portions 18, 19 and the ends of the bottom surface.
  • a pair of second case side parts can be formed.
  • the first case side parts 18 and 19 may be formed to face each other, the second case side parts may be arranged to face each other, and may be connected to the first case side parts 18 and 19.
  • the length of the edge at which the bottom surface and the first case side parts 18 and 19 are connected to each other may be longer than the length of the edge at which the bottom surface and the second case side parts are connected to each other.
  • adjacent first case side portions and second case side portions are connected at an angle of about 90 degrees.
  • the cap assembly 30 may include a cap plate 31 coupled to the case 26 to cover the opening of the case 26, and protrude outward from the cap plate 31 to the positive electrode 11 and the negative electrode 12. ) And a positive terminal 21 and a negative terminal 22 electrically connected to each other.
  • the cap plate 31 has a plate shape that can extend in one direction and can be coupled to the opening of the case 26.
  • the cap plate 31 may include an inlet 32 and a vent hole 34 in communication with the inside of the cap assembly 30.
  • the injection hole 32 may be configured to inject the electrolyte, and the sealing cap 38 may be mounted on or in the injection hole 32.
  • the vent hole 34 may be equipped with a vent member 39 having a notch 39a which may be opened by a predetermined pressure.
  • the positive terminal 21 and the negative terminal 22 may be mounted to protrude upward from the cap plate 31.
  • the positive terminal 21 may be electrically connected to the positive electrode 11 through the current collecting tab 41, and the negative terminal 22 may be electrically connected to the negative electrode 12 through the current collecting tab 42.
  • the terminal connecting member 25 may be mounted between the positive terminal 21 and the current collecting tab 41 to electrically connect the positive terminal 21 and the current collecting tab 41.
  • the terminal connection member 25 may be inserted into a hole formed in the positive terminal 21, and the lower portion thereof may be welded to the current collecting tab 41.
  • a sealing gasket 59 may be inserted between the terminal connecting member 25 and the cap plate 31, and may be inserted into a hole of the cap plate 31 in which the terminal connecting member 25 extends.
  • a lower insulating member 43 into which the lower portion of the terminal connection member 25 may be inserted may be mounted to the lower portion of the cap plate 31.
  • a connection plate 58 for electrically connecting the positive terminal 21 and the cap plate 31 may be mounted between the positive terminal 21 and the cap plate 31.
  • the terminal connecting member 25 may be inserted into the connecting plate 58.
  • another terminal connecting member 26 may be provided between the negative terminal 22 and the current collecting tab 42.
  • the terminal connecting member 26 is formed in a hole formed in the cap plate 31 at the portion of the negative terminal 22 so that the upper and lower portions of the terminal connecting member 26 are welded to the negative terminal 22 and the current collecting tab 42, respectively. Can be inserted.
  • a sealing gasket similar to the gasket 59 is inserted into the hole of the cap plate 31 from which the terminal connecting member 26 extends and is mounted between the negative terminal 22 and the cap plate 31.
  • a lower insulating member 45 may be mounted below the cap plate 31 to insulate the negative electrode terminal 22 and the current collecting tab 42 from the cap plate 31.
  • An upper insulating member 54 may be mounted between the negative electrode terminal 22 and the cap plate 31 to electrically insulate the negative terminal 22 and the cap plate 31.
  • the terminal connection member 26 may be inserted into a hole formed in the upper insulating member 54.
  • the cap assembly 30 may include a shorting member 56 installed in the shorting hole 37 and the shorting hole 37 to short the positive electrode 11 and the negative electrode 12.
  • the shorting member 56 may be positioned between the upper insulating member 54 and the cap plate 31, and the upper insulating member 54 may form a cutout at a position corresponding to the shorting member 56.
  • the shorting member 56 may overlap the negative electrode terminal 22 exposed through the cutout and may be separately located.
  • the shorting member 56 may be between the negative terminal 22 and the vent hole 34, or may be located closer to the negative terminal 22 than the vent hole 34.
  • the shorting member 56 may include a convex curved portion that is curved toward the electrode assembly 10, and may include an edge portion that is formed outside the curved portion and fixed to the cap plate 31.
  • the shorting member 56 may be deformed and shorted. That is, when gas is generated by unnecessary reaction of the battery cell 80, the internal pressure of the cell 80 may increase.
  • the curved portion of the short circuit member 56 is concave in the opposite direction to contact the negative electrode terminal 22 to cause a short circuit.
  • the battery system 100 includes a plurality of battery modules 90 to be spaced apart in the second direction x.
  • Each of the battery modules 90 includes a plurality of battery cells 80 arranged and aligned in a first direction y.
  • Each of the battery cells 80 is a square (or rectangular) cell 80 that includes a case 26 and an electrode assembly (not shown) contained within the case 26.
  • the case 26 is made of an aluminum material having a substantially rectangular parallelepiped shape, and an opening for inserting the electrode assembly 10 is formed at an upper portion thereof.
  • case 26 has wide case side portions 18, 19 facing each other.
  • the wide and flat case side parts 18 and 19 of the battery cell 80 are stacked together to form the battery module 90. That is, the first case side parts 18 and 19 of the neighboring battery cells 80 are disposed to face each other or to be in close contact with each other. Spacers (not shown) may be disposed between the first case side portions 18 and 19 of the neighboring battery cells 80.
  • the positive electrode terminal 21 and the negative electrode terminal 22 of the neighboring battery cell 80 are electrically connected through a bus bar (not shown).
  • the battery module 90 may be used as a power supply device by electrically connecting a plurality of battery cells 80 to form a bundle.
  • the prior art battery system cover 65 is disposed on the top of the battery module 90 so that the bottom surface of the cover 65 is cap assembly of the battery cell 80. Facing (30).
  • a hot gas jet will be discharged at a high speed in the vent hole 34 of the battery cell 80.
  • the gas jets that strike the prior art cover 65 are then deflected uniformly in all directions on the x-y-plane.
  • the gas jet is deflected toward the battery cells 80 of the battery module 90 adjacent to the battery cells 80 which are substantially thermally runaway. Since the adjacent battery cells 80 have already received heat from the cell 80 thermally runaway by thermal conduction, thermal runaway may easily occur when heat is further received from the deflected gas jet.
  • the battery system 100 has the lower surface 61 of the battery system cover 60 facing the cap assembly 30 of the battery cell 80.
  • the battery system cover 60 is disposed above the battery module 90.
  • the battery system cover 60 includes a plurality of ridge portions 70 spaced apart in the second direction x.
  • the ridge portion 70 extends in the first direction y. That is, the length extension of each ridge portion 70 is aligned in the first direction y.
  • Each ridge portion 70 is aligned with the vent holes 34 of one battery module 90, that is, a plurality of arranged battery cells 80.
  • Each ridge portion 70 is vent holes 34 of the corresponding battery module 90 at a distance in a third direction z from the cap assembly 30 of the battery cell 80 of each battery module 90. Are arranged up.
  • each ridge portion 70 has a substantially triangular cross-sectional structure in the second direction x.
  • the tip which is the lowermost corner of the substantially triangular cross section, is aligned with the vent hole 34 located below.
  • the ridge portion 70 includes a first ridge side portion 71 and a second ridge side portion 72 extending from the tip to the flat portion of the battery system cover 60.
  • the first ridge side portion 71 and the second ridge side portion 72 meet at a specific angle at the tip of the ridge portion 70.
  • Each of the first ridge side portions 71 and the second ridge side portions 72 has a concave shape.
  • the first ridge side portion 71 deflects the gas jet ejected from the vent hole 34 disposed below in the second direction x, and the second ridge side portion 72 ejects the gas jet from the vent hole 34. Is deflected in a direction (-x) opposite to the second direction.
  • the gas jets injected from the vent holes 34 of any battery cell 80 are separated at each ridge portion 70.
  • Each separate portion of the deflected gas jet is directed to the side wall of a housing (not shown) of each adjacent cell module 90 or cell system 100.
  • the gas jet and the heat conducted therefrom are distributed away from other battery cells 80 adjacent to the same battery module 90 as the thermally runaway battery cells 80. Since these adjacent battery cells 80 have already received heat from the battery cells 80 that are thermally runaway due to thermal conduction, thermal runaway may occur.
  • the heat of the gas jet is spread over a wider area, in particular toward the adjacent battery module 90 of the battery system 100, thereby reducing the risk of thermal runaway propagation.
  • the gas jet ejected from the battery cell 80 of the outermost battery module 90 is partially deflected toward the battery system housing.
  • the housing comprises an exhaust port arranged on the side wall at least part of the discharge gas jet is deflected.
  • the battery system 100 according to the second embodiment includes a battery system cover 60 disposed on the top of the battery module 90 so that the bottom surface 61 faces the cap assembly 30 of the battery cell 80. do.
  • the battery system cover 60 includes a plurality of ridge portions 70 spaced apart in the second direction x. Each ridge portion 70 extends in the first direction y. Each ridge portion 70 is aligned with the vent holes 34 of one battery module 90 including a plurality of arranged battery cells 80. Each ridge portion 70 is spaced apart from the cap assembly 30 of the battery cell 80 of each battery module 90 in a third direction z above the vent holes 34 of the corresponding battery module 90. Is placed.
  • Each of the ridges 70 includes a substantially triangular cross section in the second direction x.
  • the tip of the ridge portion 70 which is approximately triangular, ie, the lowermost corner, is aligned with the vent hole 34 disposed below the ridge portion 70 while being spaced apart from the vent hole 34.
  • the ridge portion 70 includes a first ridge side portion 71 and a second ridge side portion 72 extending from the tip to the flat portion of the battery system cover 60.
  • the first ridge side portion 71 and the second ridge side portion 72 meet at a specific angle at the tip of the ridge portion 70.
  • Each of the first ridge side portions 71 and the second ridge side portions 72 has a concave shape.
  • the first ridge side portion 71 deflects the gas jet ejected from the vent hole 34 disposed below in the second direction x, and the second ridge side portion 72 ejects the gas jet from the vent hole 34. Is deflected in a direction (-x) opposite to the second direction.
  • the at least one ridge portion is configured to cool the gas discharged from the vent hole 34.
  • the ridge portion 70 includes a refrigerant duct 73 embedded in and extending from the ridge portion 70. That is, in each ridge portion 70, the refrigerant duct 73 extends in the first direction y and is aligned with the vent hole 34 of one battery module 90.
  • the refrigerant duct 73 is surrounded by a first ridge side portion 71, a second ridge side portion 72, and a portion of the battery system cover 60.
  • the refrigerant duct 73 may be a refrigerant pipe molded in the hollow portion in the integrated ridge portion 70 and / or in the ridge portion 70 of the battery system cover 60.
  • the refrigerant duct 73 terminates at one end (not shown) at the first refrigerant port (not shown) and at the other end (not shown) at the second refrigerant port (not shown).
  • the first refrigerant port (not shown) and the second refrigerant port (not shown) of each refrigerant duct 73 are configured to be fluidly connected to an external refrigerant circuit (not shown).
  • the heat sink 74 is disposed on the top surface of the battery system cover 60 facing the at least one ridge portion 70.
  • the ridge portion 70 and the battery system cover 60 are made of a material having high thermal conductivity, preferably aluminum. Accordingly, heat generated from the discharge gas jet is efficiently transferred to the heat sink 74 through the battery system cover 60 and dissipated in the heat sink 74.
  • the heat sink 74 may comprise an extended surface area, ie a plurality of ridges comprising at least one corrugated surface or disposed on at least one surface.
  • the heat sink 74 may include at least one refrigerant duct (not shown) disposed within the heat sink 74.
  • the refrigerant duct in the heat sink 74 may be configured to be connected to the same external refrigerant circuit as the refrigerant duct 73 of the second embodiment version A of the present invention.
  • the battery system 100 further includes a battery module 90, ie a housing 75 for accommodating a plurality of battery cells 80.
  • the battery system cover 60 forms a part of the housing 75 in a structure that seals the upper opening of the housing 75.
  • the housing 75 further includes a base plate connected to the side wall of the housing.
  • the two sidewalls of the housing 75 facing each other each include an exhaust port 76 for ejecting gas vented from the vent hole 34 and deflected from the one or more ridges 70.
  • first ridge side portion 72 second ridge side portion

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Abstract

본 발명은 제1 방향을 따라 배열된 적어도 하나의 다수 개의 정렬 전지 셀을 포함하는 전지 시스템에 관한 것이다. 각 전지 셀은, 전극 조립체가 수용되는 전지 케이스, 상기 전지 케이스에 배치되는 캡 조립체, 및 상기 캡 조립체 내부에 제공되는 벤트 홀을 포함한다. 상기 전지 시스템은 다수 개의 상기 정렬 전지 셀을 덮기 위한 전지 시스템 커버을 더욱 포함한다. 상기 전지 시스템 커버는 하부면에 배치되어 다수 개의 상기 정렬 전지 셀을 향하는 적어도 하나의 릿지부를 포함한다. 상기 릿지부는 다수 개의 상기 정렬 전지 셀에 형성된 상기 벤트 홀과 정렬되도록 상기 제1 방향을 따라 연장되고, 상기 릿지부는 상기 제1 방향과 대략 수직을 이루는 제2 방향을 따라 상기 벤트 홀에서 분출되는 가스를 편향시키도록 구성된다. 전지 셀로부터 분출된 가스는 상기 제1 방향을 따라 배치된 상기 인접 셀로부터 멀리 분산되고 이에 따라 전지 시스템은 열폭주 전파의 위험을 줄일 수 있다.

Description

전지 시스템
본 발명은 전지 시스템에 관한 것으로, 특히 열 폭주 전파를 방지하도록 구성된 전지 커버를 포함하는 전지 시스템에 관한 것이다.
이차 전지(rechargeable battery)는 충전과 방전을 반복적으로 수행할 수 있다는 점에서, 화학 에너지로부터 전기 에너지를 비가역적으로 변환만을 하는 일차 전지와 차이가 있다. 저용량 이차 전지는 휴대폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치용 전원으로서 사용될 수 있고, 고용량 이차 전지는 하이브리드(hybrid) 자동차 등 모터 구동용 전원으로 사용된다.
일반적으로, 이차 전지는 양극과 음극, 그리고 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 전극 조립체에 전기적으로 연결된 전극 단자를 포함한다. 양극, 음극 및 전해액의 전기 화학 반응을 통하여 이차 전지의 충전과 방전이 일어날 수 있도록 전해액이 케이스 내부로 주입된다. 케이스는 사용 목적 및 용도에 따라 원통형 또는 직사각형 일 수 있다.
이차 전지는 높은 에너지 밀도를 요구하는 예컨대 하이브리드 차량의 모터를 구동할 수 있도록 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수 개의 단위 셀로 형성된 전지 모듈을 사용할 수 있다. 즉, 전지 모듈은 다수 개의 전지 셀의 전극 단자를 서로 연결하여 형성하고, 필요한 전력 양에 부합하는 다수 개의 단위 전지의 전극 단자를 서로 연결함으로써, 예컨대 전기 자동차의 모터 구동을 위한 고출력을 갖는 이차 전지를 구현할 수 있다.
전지 모듈은 블록형(block) 또는 모듈형(modular) 방식으로 구현될 수 있다. 블록형 구현 방식에서, 전지 셀 각각은 하나의 공통된 집전 구조와 공통된 전지 관리 시스템에 결합되고, 하우징 내부에 배치된다. 모듈형 구현 방식에서, 다수 개의 전지 셀은 서브 모듈에 연결되고, 다수 개의 서브 모듈이 서로 연결되어 모듈을 형성한다. 전지 관리 기능은 모듈 또는 서브 모듈 레벨에 대해 적어도 부분적으로 구현될 수 있으므로 호환성을 향상시킬 수 있다. 전지 시스템을 형성하기 위해서는, 하나 이상의 전지 모듈이 열 관리 시스템을 갖추며 기계적 및 전기적으로 통합되어, 하나 이상의 전기 소비 장치와 연통되도록 구성된다.
전지 시스템은 기계적 통합을 이루기 위해, 각각의 구성 요소(예를 들어, 전지 서브 모듈 사이의 연결 및 자동차와 같은 전기 소비 장치와의 연결 구조)가 기계적으로 적절하게 상호 연결될 필요가 있다. 이러한 연결 구조는 전지 시스템의 평균 수명과 전기 소비 장치를 사용하는 동안 기능과 안전이 유지되도록 구현되어야 할 것이다. 또한, 설치 공간 및 호환성 요구 사항은, 특히 모바일 애플리케이션에서 고려 사항이 되어야 한다.
전지 모듈의 기계적 통합을 달성하기 위해 캐리어 플레이트(예를 들어, 그라운드 플레이트)를 제공하고, 그 위로 각각의 전지 셀 또는 서브 모듈을 배치할 수 있다. 전지 셀 또는 서브 모듈을 캐리어 플레이트에 고정하는 것은, 캐리어 플레이트의 함몰된 공간에 끼워 고정시키거나 볼트나 나사 등을 이용하여 기계적으로 연결하거나 또는 전지 셀 또는 서브 모듈을 넣는 것으로 이룰 수 있다. 넣는 방법은 전지의 측면 플레이트를 캐리어 플레이트의 측면과 체결하거나 이어서 또 다른 캐리어 플레이트를 상부에 제공하여 하부에 위치한 캐리어 플레이트 및/또는 측면 플레이트와 서로 고정시킬 수 있다. 이에 따라, 전지 모듈을 다층 구조로 설치할 수 있는 바, 캐리어 플레이트 및/또는 측면 플레이트는 냉매 덕트를 포함하여 전지 셀 또는 서브 모듈을 냉각 시킬 수 있다.
전지 서브 모듈을 기계적으로 통합하기 위해서는, 기계적으로 강화한 전기 커넥터를 제공하거나 전기 커넥터를 전지 셀과 함께 캐리어 빔 또는 스트러트(strut) 부재에 고정시킬 수 있다. 또한, 전지 서브 모듈은 서브 모듈의 표면을 일부 또는 모두 덮는 케이스에 각각 배치되어 전지 모듈 내에, 예컨대 캐리어 플레이트 상부에 제공될 수 있다.
모듈형 방식으로 구현된 전지 모듈은 전기적으로 통합된 구조를 갖기 위해, 서브 모듈은 서로 병렬로 연결된 다수 개의 전지 셀을 포함하며, 서브 모듈은 서로 직렬로 연결(XsYp)되거나 서브 모듈은 서로 직렬 연결된 다수 개의 전지 셀을 포함하며, 서브 모듈은 서로 병렬로 연결(XpYs)되는 것을 제공한다. XsYp 유형의 연결방식을 갖는 서브 모듈은 고출력이 가능하지만, 각각의 전지 셀의 전압을 개별적으로 제어 해야 하기 때문에, 이에 따라 배선 복잡도가 증가하게 된다. 반면, XpYs 유형의 연결방식을 갖는 서브 모듈은 병렬로 연결된 전지 셀 각각의 전압이 자동적으로 균형을 이루고 있다. 따라서, XpYs 유형의 서브 모듈은 배선 복잡도가 감소되는 바, 서브 모듈 수준에서 전압 제어가 이루어져도 충분하다. 병렬로 연결된 셀의 서브 모듈에서는 셀의 커패시턴스가 합쳐지므로, XpYs 타입 서브 모듈이 대부분 저용량 셀에 사용된다.
전지 시스템과 연결된 각종 전기 소비 장치의 다양한 전력 요구를 충족시키기 위해 전원 출력 및 충전에 대한 수동적(static) 제어 방법은 충분하지 않을 수도 있다. 따라서, 전지 시스템과 전기 소비 장치의 컨트롤러 사이에 지속적인 정보 교환이 이루어지도록 구현될 필요가 있다. 전지 시스템의 정보 교환에는, 예컨대 전지 시스템의 실제 충전 상태(SoC), 잠재적 전기적 성능, 충전능력, 및 내부 저항뿐만 아니라, 잉여 전지 소비 장치의 실질적 또는 예상되는 요구 전력을 교신할 수 있다. 전지 시스템은 통상적으로 이러한 정보를 처리하기 위한 전지 관리 시스템을 갖추고 있다.
전지 열 관리 시스템은 전지 모듈의 안전한 사용을 위해, 이차 전지로부터 발생한 열을 효율적으로 발열, 방출, 및/또는 소산 시켜서 이차 전지를 냉각시킬 수 있다.
전지에서 발생하는 열을 충분히 발열, 방출, 및/또는 소산시키지 않으면 전지 셀 간의 온도 편차가 발생하여 하나 이상의 전지 모듈이 원하는 양의 전력을 생성할 수 없게 된다. 또한, 이차 전지의 내부 온도가 상승하게 되면 내부 이상 반응으로 이어질 수 있으므로, 이에 따라 이차 전지의 충/방전 성능이 악화되며 이차 전지의 수명도 단축될 수 있다. 따라서, 셀에서 발생하는 열을 효율적으로 발열, 방출, 및/또는 소산시키기 위한 냉각 장치가 필요하다.
이차 전지의 이상 작동 조건은, 일 예로 과열되거나 과충전된 리튬 이온 셀에 의해 발생할 수 있는, 예컨대 전지 셀의 열 폭주(thermal runaway)가 있다. 열 폭주가 발생하기 위한 임계 온도는 통상적으로 150℃ 이상이며 셀의 내부 단락, 전기 접촉 불량, 인접 셀과의 단락과 같은 고장 또는 장애로 인해 시작될 수 있다. 열 폭주란 셀 내부의 화학 반응으로 모든 재료가 소모할 때까지 자체 가속하여 진행되어, 많은 양의 열과 가스를 생산하게 되는 현상이다. 열 폭주시, 이상 동작하는 셀은 700℃ 이상의 온도로 셀이 가열될 수 있으며, 고온 가스는 전지 시스템으로 다량 배출될 수 있다. 따라서, 많은 양의 열이 인접한 셀로 방출될 수 있다. 상기 이웃하는 셀은 상기 측면 플레이트, 베이스 플레이트, 또는 상기 전기 커넥터를 통해 전도된 열을 전달받은 바, 열 폭주로 또 이어지기가 수월해진다. 즉, 인접한 전지 셀로의 대류 열전달은, 이격 배치 된 다수 개의 전지 모듈로 열 폭주 전파의 위험성을 가증시킨다. 결과적으로 전지 모듈 전체로 열 폭주가 전파되어, 전지의 발화 및/또는 전기 자동차의 총손실까지 이어질 수 있다.
종래 기술에 따르면, 전지 시스템은 배출된 가스를 수용하기 위한, 예컨대 체크 밸브에 의해 배출된 가스가 전지 셀이 배치되어 있는 구간으로 역류하는 것을 방지하거나, 가스가 객실 내로 유동하는 것을 방지하는 구획된 배기실 포함할 수 있다. 그러나, 배기실의 경우 통상적으로 추가 공간이 필요로 하고, 따라서 전지 시스템의 에너지 밀도를 감소시킨다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 결점에 대해 적어도 일부를 극복하거나 저감시켜, 전지 셀로부터 방출되는 고온 가스의 배출을 개선하고, 전지 시스템 사이로 열 폭주와 같은 비정상 작동 상태의 파급에 대한 보호를 개선한 전지 시스템을 제공하는 것이다.
이하, 첨부한 도면, 청구항, 및/또는 도면에 대한 상세한 설명을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 따르면, 제1 방향을 따라 배열된 적어도 하나의 다수 개의 정렬 전지 셀을 포함하는 전지 시스템이 제공된다. 각 전지 셀은 각각 전지 케이스에 수용되는 전극 조립체를 갖고 있으며, 상기 전지 케이스를 밀봉하기 위해 캡 조립체가 상기 전지 케이스에 배치된다. 상기 캡 조립체 내부에 벤트 홀이 제공되며, 상기 벤트 홀은 상기 전지 셀이 예컨대 열 폭주와 같은 이상 동작 등의 경우 가스를 방출하기 위해 구성된다. 또한, 정렬된 다수 개의 상기 전지 셀을 덮기 위한 전지 시스템 커버가 제공된다. 즉, 상기 전지 케이스 커버는 상기 전지 시스템을 밀봉하기 위해 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 전지 시스템 커버는 하부면에 배치되어 정렬된 다수 개의 상기 전지 셀을 향하도록 하는 적어도 하나의 릿지부를 포함한다. 즉, 적어도 하나의 상기 릿지부는 상기 전지 시스템 커버의 상기 하부면으로부터 하방 돌출한다. 상기 릿지부는 정렬된 다수 개의 상기 전지 셀에 형성된 상기 벤트 홀과 정렬되도록 상기 제1 방향(y)을 따라 연장된다. 상기 릿지부는 상기 제1 방향(y)과 대략 수직을 이루는 제2 방향(x)을 따라 상기 벤트 홀에서 분출되는 가스를 편향시키도록 구성된다. 바람직하게는, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향(y)과 85도와 95도 사이의 각도를 형성된다. 더욱 바람직하게는, 상기 제1 방향(y) 및 상기 제2 방향(x)은 서로 수직을 이룬다.
즉, 본 발명은 향상된 상기 전지 시스템 커버를 제공하며, 상기 전지 시스템에서 상기 전지 셀이 정렬한 방향(상기 제1 방향)과 다른 방향으로 가스를 편향시키기 위한 지오메트리(geometry)를 형성하는 상기 릿지부를 갖는다. 상기 전지 시스템 내에 정렬된 방향으로 배열된 상기 전지 셀은 서로가 직접 접촉할 수 있으며, 정렬된 방향으로 배열을 이루지 않은 전지 셀보다 서로 거리가 짧게 배치될 수 있다. 정렬한 방향으로 배열된 상기 전지 셀 사이의 열 전달은, 인접하는 상기 전지 셀의 직접적인 접촉을 통하거나 베이스 플레이트 또는 예컨대 금속 버스바와 같은 전기 인터 커넥터를 통해 열 전도가 발생한다. 정렬한 방향으로 배열된 상기 전지 셀 사이의 작은 거리로 인하여, 이 방향으로 인접한 상기 셀 간의 열 전달은 특히 높다.
일반적으로, 상기 전지 셀에서 가스를 방출하는 현상은 이상 작동 상태를 말하는 것이며, 가스는 고온 및 고속으로 상기 전지 셀에서 배출된다. 높은 에너지 밀도, 예컨대 약 200Wh/kg를 갖는 상기 전지 셀의 경우 통상 가스 온도는 700℃이며 가스 속도는 300m/s이다. 따라서, 방출 가스 제트는 상기 전지 셀의 상기 벤트 홀에 의해 방출되어 상기 벤트 홀 바로 위에 있는 공간을 향해 흐르게 된다. 상기 전지 셀의 상기 벤트 홀 위로 상기 전지 시스템 커버가 배치될 경우 상기 커버는 가스를 편향시키게 된다. 통상적인 상기 전지 시스템 커버는 가스를 모든 방향으로 균일하게 편향시키며, 따라서 고온 가스의 상당 부분은 상기 전지 커버로부터 상기 전지 셀의 정렬된 방향을 따라 상기 이상 전지 셀과 함께 정렬된 인접한 상기 셀로 편향될 수 있다. 또한, 고온 가스에 의한 대류 열 전달은 이미 위험에 놓인 인접한 상기 전지 셀에 추가적인 열적 부담을 부가하여 열 폭주 전파의 위험을 가증시킨다.
본 발명에 따르면, 방출된 가스는 정렬된 방향과 대략 수직인 다른 방향으로 편향되며, 상기 이상 전지 셀과 정렬을 이루지 않는 상기 전지 셀, 즉 상기 이상 전지 셀과 직접 접촉을 이루지 않는 상기 전지 셀 쪽으로 편향된다. 이에 따라, 상기 이상 전지 셀과 같은 정렬 방향으로 배열된 상기 인접 셀에 닿는 배출 가스량과 열적 부담은 감소하고, 상기 전지 시스템의 열 에너지가 전체적으로 고르게 분포된다. 상기 전지 시스템의 고른 열에너지 분포로 인하여, 상기 이상 전지 셀과 정렬 방향으로 상기 인접한 셀은 항상 임계 온도 이하로 유지할 수 있으며, 따라서 열 폭주의 전파가 감소할 수 있다. 또한, 상기 벤트 홀에서 배출되는 가스 제트가 닿는 상기 전지 시스템 커버는 두께 대비 융용 저항이 증가하게 된다. 따라서, 상기 커버를 태울 위험성이 감소하며, 기계적 안정성 및 압력에 대한 견고성이 증가한다.
본 발명에 따른 상기 전지 시스템의 바람직한 실시예에 따르면, 정렬된 다수 개의 상기 전지 셀의 상기 벤트 홀은 상기 제1 방향으로 정렬된다. 즉, 정렬된 다수 개의 상기 전지 셀에 대한 다수 개의 상기 벤트 홀 모두가 직선 또는 대략 직선 상으로 배열된다. 상기 릿지부는 상기 직선과 대략 평행하게 연장되어 다수 개의 상기 벤트 홀과 정렬된다. 더욱 바람직하게는, 적어도 하나의 상기 릿지부가 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 대략 수직인 제3 방향을 따라 상기 벤트 홀로부터 이격 배치된다. 특히 바람직하게는, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향은 x-y-평면상에 있으며, 제3 방향은 z-방향 또는 x-y-평면의 높이에 대응한다. 즉, 적어도 하나의 상기 릿지부는 상기 벤트 홀 위로 이격 배치된다. 이에 따라, 상기 커버와 상기 전지 셀 사이에 상기 제1 방향의 수직인 방향을 따라 가스의 대류가 흐를 공간이 보장된다. 이하, 다수 개의 상기 전지 셀에 배열되거나 정렬되는 상기 릿지부는, 상기 전지 시스템에서 정렬된 다수 개의 상기 전지 셀을 덮는 상기 전지 시스템 커버, 예컨대 설비를 통한 설치 위치에 준비되어 있는 상기 시스템 커버를 의미한다.
본 발명에 따른 상기 전지 시스템의 특징적으로 바람직한 실시예에 의하면, 적어도 하나의 상기 릿지부는 상기 제2 방향을 따른 단면부에서 상기 전지 셀을 향하여 점진적으로 가늘어진다. 즉, 상기 릿지부는 길이 방향의 연장부와 수직을 이루는 상기 릿지부의 단면부가 상기 전지 시스템 커버의 평상부에 근접할수록 넓으며, 멀어질수록 점차 좁아진다. 따라서, 상기 릿지부의 팁은 상기 전지 시스템 내부와 다수 개의 상기 전지 셀, 특히 바로 하방 배열된 상기 전지 셀의 상기 벤트 홀을 향하고 있다. 상기 릿지부는 상기 팁으로부터 상기 전지 시스템 커버의 상기 평상부를 향하여 연장되는 제1 릿지 측면부 및 제2 릿지 측면부를 포함한다. 상기 제1 릿지 측면부 및 상기 제2 릿지 측면부 사이에 각이 형성되며 상기 릿지부의 상기 팁에서 만날 수 있다.
더 바람직하게는, 상기 제1 릿지 측면부는 상기 벤트 홀로부터 상기 제2 방향으로 분출된 가스를 편향시키도록 구성되고, 상기 제2 릿지 측면부는 상기 벤트 홀로부터 상기 제2 방향과 반대되는 방향으로 분출된 가스를 편향시키도록 구성된다. 즉, 배출된 가스는 상기 릿지부에서 분리되고, 가스의 일부는 서로 반대되게 편향된다. 이에 따라, 정렬된 다수 개의 상기 전지 셀의 각 측면으로 전달되는 대류 열량이 감소하고 보다 더 많은 개수의 상기 전지 셀로 분배된다. 특히 바람직하게는, 상기 릿지부는 상기 제2 방향을 따른 단면이 대략 삼각형을 이루도록 형성된다. 반면, 상기 단면부는 대략 사다리꼴을 형성할 수 있다. 더 바람직하게는, 상기 제1 릿지 측면부 및 상기 제2 릿지 측면부는 각각 상기 제2 방향을 따른 상기 단면부에서 오목한 형상을 갖는다. 특히, 오목한 상기 측면은 삼각형의 최하부 모서리가 상기 릿지부 부분의 선단이 되는 삼각형을 형성할 수 있다. 상기 측면에 오목한 형태를 제공함으로써, 배출된 가스의 편향 및 재지향은 가스 제트로부터 상기 커버에 전달되는 힘이 거의 없으며 매끄러울 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면, 상기 릿지부는 추가적으로 상기 전지 셀의 상기 벤트 홀로부터 배출된 가스를 냉각하도록 구성된다. 상기 릿지부는 가스 제트에 부딪히는 상기 전지 시스템의 첫 번째 특징이다. 따라서, 릿지부에서 가스 제트를 냉각시키는 것은 상기 전지 시스템을 가로질러 분배되는 열의 양을 더 감소시킬 수 있다. 바람직하게는 상기 릿지부는 적어도 하나의 냉매 덕트, 즉 냉매를 운반하기 위해 하나 이상의 상기 릿지부에 부착되거나 배치된 중공부를 포함함으로써 상기 벤트 홀로부터 배출된 가스를 냉각하도록 구성된다. 적어도 하나의 상기 릿지부는 냉매 덕트에 냉매를 제공하기 위한 냉매 포트를 더 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 상기 릿지부 및/또는 상기 전지 시스템 커버는 높은 열 도성을 갖는 물질, 바람직하게는 금속. 다른 바람직한 실시예에서, 히트 싱크는 하나의 상기 릿지부에 대향하는 상기 전지 시스템 커버의 상부에 배치된다. 이러한 수단에 의해, 상기 커버 및 상기 릿지부의 열 질량이 증가할 수 있고 배출된 가스로부터 열은 효과적으로 방출될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전지 시스템은 상기 제2 방향으로 서로 이격 배치된 다수 개의 전지 모듈. 바람직하게는, 상기 전지 모듈은 각각 상기 제1 방향을 따라 정렬되어 배치되는 다수 개의 상기 전지 셀을 포함한다. 상기 전지 시스템은 상기 제2 방향으로 서로 이격 배치된 다수 개의 릿지를 갖는 상기 전지 시스템 커버를 더 포함한다. 상기 릿지부 각각은 상기 제1 방향으로 연장되고, 상기 전지 모듈 중 하나, 즉 상기 전지 모듈의 정렬된 다수 개의 상기 전지 셀의 상기 벤트 홀과 정렬된다. 따라서, 상기 릿지부 각각은 하나의 상기 전지 모듈의 상기 전지 셀로부터 상기 전지 모듈의 길이 방향에 수직이며 인접한 상기 전지 모듈 쪽으로 분사되는 가스 제트를 편향시키도록 구성된다. 따라서, 고장난 상기 전지 셀의 열 에너지는 상기 전지 시스템에 분산될 수 있다. 또한, 상기 전지 시스템 커버를 따라 연장되는 다수 개의 상기 릿지부는 상기 커버의 개선된 기계적 안정성을 추가로 제공한다.
본 발명에 따른 상기 전지 시스템의 바람직한 실시예에서, 상기 전지 셀 각각은 양극 단자 및 음극 단자를 추가로 포함하고, 각 상기 전지 셀의 상기 벤트 홀은 상기 양극 단자 및 상기 음극 단자로부터 거리를 두고 배치된다. 즉, 적어도 하나의 상기 릿지부와 상기 양극 단자 또는 상기 음극 단자 사이의 임의의 물리적 접촉이 회피된다. 따라서, 상기 양극 단자와 상기 음극 단자 중 하나와 하나 이상의 상기 릿지부 사이에는 전기적 접속이 없으므로 상기 단자와 상기 커버 사이의 단락 회로가 회피된다. 특히 바람직하게는, 상기 양극 단자와 상기 음극 단자가 상기 제2 방향으로 서로 이격 배치되고, 상기 벤트 홀이 상기 양극 단자와 상기 음극 단자 사이에 배치된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 전지 시스템은 다수 개의 상기 전지 셀을 수용하기 위한 하우징을 더 포함하며, 상기 전지 시스템 커버는 상기 하우징에 부착되도록 구성된다. 상기 하우징은 바람직하게는 상기 전지 시스템의 바닥면에 의해 구성될 수 있는 바닥 플레이트를 포함한다. 상기 바닥 플레이트는 상면에 상기 전지 셀을 냉각시키기 위한 냉각 수단이 배치되도록 포함할 수 있다. 상기 하우징은 서로 마주하는 한 쌍의 제1 하우징 측벽과 한 쌍의 제2 하우징 측벽을 더 포함한다. 상기 측벽은 상기 바닥 플레이트에 부착되고, 상기 제1 하우징 측벽 각각은 상기 제2 하우징 측벽 2 개와 부착되고, 상기 제2 하우징 측벽 각각은 상기 제1 하우징 측벽 2 개와 부착된다. 다수 개의 상기 전지 셀 및 상기 전지 시스템의 다른 컴포넌트, 예컨대 전지 관리 유닛 또는 전지 방전 유닛은 하우징의 개방된 상부면을 통해 하우징에 삽입될 수 있다. 상기 전지 시스템 커버는 하우징의 개방 표면을 덮기 위해 하우징에 부착되도록 구성된다. 상기 커버의 하나 이상의 상기 릿지부는 전술한 바와 같이 상기 벤트 홀에 대해 정렬될 수 있으며, 상기 전지 시스템 커버는 하우징에 부착된다.
더욱 바람직하게는, 상기 제2 방향으로 상기 하우징을 둘러싸는 하나 이상의 상기 측벽은 상기 벤트 홀로부터 분출되고 하나 이상의 상기 릿지부로부터 편향된 가스를 배출하기 위한 상기 배기구를 포함한다. 즉, 상기 배기구는 가스가 하나 이상의 상기 릿지부에 의해 편향되는 방향으로 제공된다. 따라서, 상기 하우징으로부터 배출된 가스의 신뢰성 있는 배출이 보장된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전지 시스템의 전지 셀로부터 분출된 가스는 제1 방향을 따라 배치된 인접 셀로부터 멀리 분산시킬 수 있고 이에 따라 전지 시스템의 열폭주 전파 위험을 줄일 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 릿지부는 추가적으로 전지 셀의 벤트 홀로부터 배출된 가스를 냉각하도록 구성되어, 배출된 가스로부터 만들어진 열을 효과적으로 방출시킬 수 있다.
본 발명의 특징은 후술한 도면을 참고로 한 여러 실시예들의 상세한 설명을 통하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 셀의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 셀의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 시스템의 측면도 및 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 시스템의 측면도 및 전지 시스템 커버의 저면도이다.
도 5는 종래 기술에 따른 전지 시스템의 측면도 및 전지 시스템 커버의 저면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지 시스템의 측면도 및 릿지부의 세부 버전(A, B)의 상세도(D)이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 예시적 실시예의 효과, 특징 및 그 구현 방법이 첨부된 도면과 함께 설명될 것이다. 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타내며, 중복되는 설명은 생략된다. 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 언급한다. 본 실시 예가 다양한 특정 실시예로 기술되었지만, 이는 당업자가 변형하여 실시하는 것이 자명할 것이다. 그러한 모든 변형은 청구 범위의 범주 내에 있는 것으로 간주된다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "실질적으로", "약" 및 유사한 용어는 근사 용어로 사용되며 학위 용어로 사용되지 않으며, 당업자에게 자명한 측정된 또는 계산된 값의 고유한 편차를 설명하기 위한 것이다. 또한, 용어 "실질적으로"가 수치를 사용하여 표현될 수 있는 특징과 조합하여 사용되는 경우, 용어 "실질적으로"는 그 값을 중심으로 한 값의 +/- 5 %의 범위를 나타낸다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명할 때 "할 수 있다"를 사용하는 것은 "본 발명의 하나 이상의 실시예"를 의미한다. 여기에서, 용어 "상부" 및 "하부"는 z- 축에 따라 정의된다. 예를 들어, 상부 커버는 z 축의 상부에 위치하고, 하부 커버는 하부에 위치한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 셀의 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 전지 셀(80)은 전극 조립체(10) 및 전극 조립체(10)와 전해질을 수용하는 케이스(26)를 포함한다. 전지 셀(80)은 케이스(26)의 개구부를 밀봉하기 위한 캡 조립체(30)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 전지 셀(80)은 각형 구조의 리튬 이온 이차 전지로 예시되지만, 이에 한정되지 않는다.
전극 조립체(10)는 세퍼레이터(13)를 사이에 두고 양극(11)과 음극(12)을 나선형으로 권취한 젤리-롤 형태의 전극 조립체로서 만들어질 수 있다. 양극(11)과 음극(12)은 각각, 활물질이 코팅된 얇은 금박으로 형성된 집전체 및 집전체 상에 활물질이 코팅되지 않은 양극 무지부 및 음극 무지부(11a, 12a)를 포함할 수 있다. 양극(11)의 코팅 영역은 일 예로, 알루미늄과 같은 금속 호일로 형성된 기재에 전이 금속 산화물 등의 활물질을 코팅함으로써 형성될 수 있다. 또한, 음극(12)의 코팅 영역은 일 예로, 구리나 니켈과 같은 금속 호일로 형성된 기재에 탄소, 그래파이트(graphite) 등과 같은 활물질을 코팅함으로써 형성될 수 있다.
양극 무지부(11a)는 양극(11)의 전극 길이 방향의 일측 단부에 형성될 수 있으며, 음극 무지부(12a)은 음극(12)의 전극 길이 방향의 일측 단부에 형성할 수 있다. 양극 무지부(11a)와 음극 무지부(12a)는 코팅 영역에 대해 대향하는 측면에 위치할 수 있다. 또한, 세퍼레이터(13)는 양극(11) 및 음극(12)과 함께 나선형으로 권취되어 양극(11)과 음극(12) 사이에 교대로 위치한 복수로 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 양극(11), 세퍼레이터(13) 및 음극(12)이 반복적으로 적층된 다수 개의 시트를 포함하는 구조로 전극 조립체(10)를 구성할 수 있다.
전극 조립체(10)는 상기 케이스(26) 내에 전해액과 함께 수용될 수 있다. 전해액은 LiPF6 또는 LiBF4와 같은 리튬 염과 EC, PC, DEC, EMC, EMC 등의 유기 용매를 사용하여 이루어질 수 있다. 전해액은 액체, 고체 또는 겔(gel) 상태 일 수 있다. 케이스(26)는 대략 직육면체 형상으로 구성될 수 있으며, 일면에 개구부가 형성될 수 있다. 케이스(26)는 일 예로 알루미늄과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
케이스(26)는 전극 조립체(10)를 수용하는 공간을 형성하기 위해, 대략 직사각형의 바닥면을 포함하고, 한 쌍의 넓은 제1 케이스 측면부(18, 19)와 바닥면의 단부에 수직으로 연결된 한 쌍의 제2 케이스 측면부를 형성할 수 있다. 제1 케이스 측면부(18, 19)는 서로 마주 보도록 형성될 수 있고, 제2 케이스 측면부는 서로 마주 보도록 배치될 수 있으며, 제1 케이스 측면부(18, 19)와 연결될 수 있다. 바닥면과 제1 케이스 측면부(18, 19)가 서로 연결되는 모서리의 길이는 바닥면과 제2 케이스 측면부와 서로 연결되는 모서리의 길이보다 길 수 있다. 바람직하게는, 인접한 제1 케이스 측면부와 제2 케이스 측면부는 약 90도의 각도를 두고 연결된다.
캡 조립체(30)는 케이스(26)에 결합하여 케이스(26)의 개구부를 덮는 캡 플레이트(31)를 포함할 수 있으며, 캡 플레이트(31)로부터 외부로 돌출되어 양극(11) 및 음극(12)과 전기적으로 연결되는 양극 단자(21) 및 음극 단자(22)를 포함한다. 캡 플레이트(31)는 일 방향으로 연장될 수 있는 플레이트 형상을 이루어지며, 케이스(26)의 개구부에 결합할 수 있다. 캡 플레이트(31)는 캡 조립체(30)의 내부와 연통되는 주입구(32) 및 벤트 홀(34)를 포함할 수 있다. 주입구(32)는 전해액이 주입되도록 구성될 수 있으며, 밀봉 캡(38)이 주입구(32) 상부나 내부로 장착될 수 있다. 또한, 벤트 홀(34)에는 소정의 압력에 의해 개방될 수 있는 노치(39a)가 형성된 벤트 부재(39)가 장착될 수 있다.
양극 단자(21)와 음극 단자(22)는 상기 캡 플레이트(31)의 상방으로 돌출하도록 장착될 수 있다. 양극 단자(21)는 집전 탭(41)을 통해 양극(11)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 음극 단자(22)는 집전 탭(42)을 통해 음극(12)에 전기적으로 연결될 수 있다. 양극 단자(21)와 집전 탭(41)을 전기적으로 연결하기 위해 단자 연결 부재(25)는 양극 단자(21)와 집전 탭(41) 사이에 장착될 수 있다. 단자 연결 부재(25)는 양극 단자(21)에 형성된 구멍에 삽입되어, 그 하부가 집전 탭(41)에 용접될 수 있다.
단자 연결 부재(25)와 캡 플레이트(31) 사이에는 밀봉용 가스켓(59)이 삽입될 수 있으며, 단자 연결 부재(25)가 연장되는 캡 플레이트(31)의 구멍에 삽입될 수 있다. 또한, 단자 연결 부재(25)의 하부가 삽입될 수 있는 하부 절연 부재(43)가 캡 플레이트(31)의 하부에 장착될 수 있다. 양극 단자(21)와 캡 플레이트(31) 사이에는 양극 단자(21)와 캡 플레이트(31)를 전기적으로 연결하기 위한 연결 플레이트(58)가 장착될 수 있다. 단자 연결 부재(25)는 연결 플레이트(58)에 삽입될 수 있다. 따라서, 캡 플레이트(31) 및 케이스(26)는 양극을 띠도록 대전될 수 있다.
음극 단자(22)와 집전 탭(42)을 전기적으로 연결하기 위해, 다른 단자 연결 부재(26)가 음극 단자(22)와 집전 탭(42) 사이에 설치될 수 있다. 단자 연결 부재(26)의 상부 및 하부가 각각 음극 단자(22) 및 집전 탭(42)에 용접되도록, 단자 연결 부재(26)는 음극 단자(22) 부위의 캡 플레이트(31)에 형성된 구멍에 삽입될 수 있다. 가스켓(59)과 유사한 밀봉용 가스켓이 단자 연결 부재(26)가 연장되는 캡 플레이트(31)의 구멍에 삽입되어 음극 단자(22)와 캡 플레이트(31) 사이에 장착한다. 또한, 음극 단자(22)와 집전 탭(42)을 캡 플레이트(31)로부터 절연하기 위해 하부 절연 부재(45)가 캡 플레이트(31)의 하부에 장착될 수 있다.
음극 단자(22)와 캡 플레이트(31) 사이에는 음극 단자(22)와 캡 플레이트(31)를 전기적으로 절연시키기 위해 상부 절연 부재(54)가 장착될 수 있다. 단자 연결 부재(26)는 상부 절연 부재(54)에 형성된 구멍에 삽입될 수 있다. 캡 조립체(30)는 단락 구멍(37)과 단락 구멍(37)에 설치되어 양극(11)과 음극(12)을 단락시킬 수 있는 단락 부재(56)를 포함할 수 있다. 단락 부재(56)는 상부 절연 부재(54)와 캡 플레이트(31) 사이에 위치할 수 있으며, 상부 절연 부재(54)는 단락 부재(56)에 대응하는 위치에 절개부를 형성할 수 있다. 단락 부재(56)는 절개부를 통해 노출된 음극 단자(22)와 중첩될 수 있고, 별도로 위치할 수 있다.
또한, 단락 부재(56)는 음극 단자(22)와 벤트 홀(34) 사이에 있을 수도 있고, 벤트 홀(34)보다 음극 단자(22)에 더 가까이 위치할 수도 있다. 단락 부재(56)는 전극 조립체(10)를 향해 만곡되는 볼록한 곡면부를 포함할 수 있으며, 만곡부의 외측에 형성되어 캡 플레이트(31)에 고정될 수 있는 모서리부를 포함할 수 있다. 전지 셀(80) 내부의 압력이 상승하면 단락 부재(56)가 변형되어 단락될 수 있다. 즉, 전지 셀(80)은 불필요한 반응으로 가스가 발생하면, 셀(80) 내부 압력이 상승할 수 있다. 전지 셀(80)의 내압이 소정의 수준 이상으로 상승하게 되면, 단락 부재(56)의 곡면부는 반대 방향으로 오목하게 변형되어 음극 단자(22)와 접촉하면서 단락을 유발한다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 전지 시스템(100)은 제2 방향(x)으로 이격 배치되도록 다수 개의 전지 모듈(90)을 포함한다. 전지 모듈(90) 각각은 제1 방향(y)으로 배열되어 정렬된 다수 개의 전지 셀(80)을 포함한다. 전지 셀(80) 각각은 케이스(26) 및 케이스(26) 내에 수용된 전극 조립체(미도시)를 포함하는 각형(또는 직사각형) 셀(80)이다. 케이스(26)는 대략 직육면체 형상을 갖는 알루미늄 재질로 이루어지며, 전극 조립체(10)를 삽입하기 위한 개구부가 상부에 형성된다. 더욱이, 케이스(26)는 서로 마주하는 넓은 케이스 측면부(18, 19)를 갖는다.
전지 셀(80)의 넓고 평탄한 케이스 측면부(18, 19)는 서로 적층되어 전지 모듈(90)을 형성한다. 즉, 이웃하는 전지 셀(80)의 제1 케이스 측면부(18, 19)가 서로 마주 보도록 배치되거나 또는 서로 밀착되도록 배치된다. 스페이서(미도시)가 이웃하는 전지 셀(80)의 제1 케이스 측면부(18, 19) 사이에 배치될 수 있다. 이웃하는 전지 셀(80)의 양극 단자(21)와 음극 단자(22)는 버스바(미도시)를 통해 전기적으로 연결된다. 전지 모듈(90)은 다수 개의 전지 셀(80)을 전기적으로 연결해 하나의 묶음을 이루어 전원 장치로서 사용될 수 있다.
각 전지 셀(80), 양극 단자(21) 및 음극 단자(22)로부터 거리를 두고 전지 셀(80)의 캡 조립체(30)에 배치되는 벤트 홀(34)를 포함한다. 제1 방향(x)으로 정렬된 다수 개의 전지 셀(80)의 벤트 홀들(34)도 제1 방향(x)으로 배열된다.
도 5에 도시된 종래 기술의 전지 시스템에 의하면, 종래 기술의 전지 시스템 커버(65)는 전지 모듈(90)의 상부에 배치되어, 커버(65)의 하부면을 전지 셀(80)의 캡 조립체(30)와 마주하도록 한다. 전지 셀(80) 중 하나가 열 폭주하게 될 경우, 해당 전지 셀(80)의 벤트 홀(34)에서 고온 가스 제트(gas jet)가 고속으로 배출될 것이다. 종래 기술의 커버(65)와 부딪치게 되는 가스 제트는 이어 x-y-평면상의 모든 방향으로 균일하게 편향된다. 이에 따라, 가스 제트는 상당량이 열 폭주한 전지 셀(80)에 인접한 전지 모듈(90)의 전지 셀들(80)을 향해 편향된다. 이 인접한 전지 셀들(80)은 열 전도에 의해 열 폭주한 셀(80)로부터 이미 열을 받은 상태라, 편향된 가스 제트로부터 열을 더 받게 될 경우, 열 폭주가 수월하게 발생할 수가 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전지 시스템(100)은 전지 시스템 커버(60)의 하부면(61)이 전지 셀(80)의 캡 조립체(30)를 향하도록 전지 시스템 커버(60)가 전지 모듈(90)의 상부에 배치된다. 전지 시스템 커버(60)는 제2 방향(x)으로 이격 배치된 다수 개의 릿지부(70)를 포함한다. 릿지부(70)은 제1 방향(y)으로 연장된다. 즉, 각 릿지부(70)의 길이 연장은 제1 방향(y)으로 맞춰진다. 각 릿지부(70)는 하나의 전지 모듈(90), 즉 배열된 다수 개의 전지 셀(80)의 벤트 홀들(34)에 맞추어 정렬된다. 각 릿지부(70)는 각각의 전지 모듈(90)의 전지 셀(80)의 캡 조립체(30)로부터 제3 방향(z)으로 거리를 두고 대응하는 전지 모듈(90)의 벤트 홀들(34) 위로 배열된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 각 릿지부(70)는 제2 방향(x)으로 대략 삼각형의 단면 구조를 갖는다. 릿지부(70)에서 대략 삼각형 단면의 최하단부 코너인 팁(tip)은, 하방에 위치한 벤트 홀(34)에 거리를 두고 이와 정렬된다. 릿지부(70)는 팁으로부터 전지 시스템 커버(60)의 평상부까지 연장되는 제1 릿지 측면부(71) 및 제2 릿지 측면부(72)를 포함한다. 제1 릿지 측면부(71)와 제2 릿지 측면부(72)는 릿지부(70)의 팁에서 특정 각도를 갖고 만난다. 제1 릿지 측면부(71) 및 제2 릿지 측면부(72) 각각은 오목한 형상을 갖는다. 제1 릿지 측면부(71)는 하방에 배치된 벤트 홀(34)으로부터 분출된 가스 제트를 제2 방향(x)으로 편향시키고, 제2 릿지 측면부(72)는 벤트 홀(34)로부터 분출된 가스를 제2 방향과 반대되는 방향(-x)으로 편향시킨다.
따라서, 비정상적인 작동 조건에서, 어느 전지 셀(80)의 벤트 홀(34)로부터 분사된 가스 제트는 각각의 릿지부(70)에서 분리된다. 편향된 가스 제트의 각 분리 부분은, 각각의 인접한 전지 모듈(90) 또는 전지 시스템(100)의 하우징(미도시)의 측벽으로 향한다. 따라서, 가스 제트 및 이로부터 전도되는 열은, 열 폭주한 전지 셀(80)과 동일한 전지 모듈(90) 내에 인접한 다른 전지 셀(80)로부터 멀리 분산된다. 이들 인접한 전지 셀(80)은 열 전도로 인해 열 폭주한 전지 셀(80)로부터 열을 이미 받은 상태이므로, 열 폭주가 발생할 가능성이 있다. 가스 제트의 열이 보다 넓은 영역으로 분산되고, 특히 전지 시스템(100)의 인접한 전지 모듈(90)을 향해 분산됨으로써, 열 폭주 전파의 위험이 감소된다. 최외곽 전지 모듈(90)의 전지 셀(80)로부터 분출된 가스 제트는, 부분적으로 전지 시스템 하우징 쪽으로 편향된다. 방출된 가스가 충분히 배출되는 것을 보장하기 위해, 하우징은 적어도 방출 가스 제트의 일부가 편향되는 측벽에 배치된 배기구를 포함한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전지 시스템(100) 및 제1 버전(A)과 제2 버전(B)에 따른 릿지부(70)의 상세도를 도시한다. 제2 실시예에 따른 전지 시스템(100)은 하부면(61)이 전지 셀(80)의 캡 조립체(30)를 향하도록 전지 모듈(90)의 상부에 배치되는 전지 시스템 커버(60)를 포함한다. 전지 시스템 커버(60)는 제2 방향(x)으로 이격 배치된 다수 개의 릿지부(70)를 포함한다. 각 릿지부(70)는 제1 방향(y)으로 연장된다. 각 릿지부(70)는 다수개의 배열된 전지 셀(80)을 포함하는 하나의 전지 모듈(90)의 벤트 홀들(34)에 맞추어 정렬된다. 각 릿지부(70)는 각각의 전지 모듈(90)의 전지 셀(80)의 캡 조립체(30)로부터 제3 방향(z)으로 이격되어 대응하는 전지 모듈(90)의 벤트 홀들(34) 위로 배치된다.
릿지부(70) 각각은, 제2 방향(x)으로 대략 삼각형의 단면을 포함한다. 대략 삼각형인 릿지부(70)의 팁, 즉 최하부 모서리는, 릿지부(70)의 아래에 배치된 벤트 홀(34)과 이격 배치되면서 이에 맞추어 정렬된다. 릿지부(70)는 팁으로부터 전지 시스템 커버(60)의 평상부까지 연장되는 제1 릿지 측면부(71) 및 제2 릿지 측면부(72)를 포함한다. 제1 릿지 측면부(71)와 제2 릿지 측면부(72)는 릿지부(70)의 팁에서 특정 각도를 갖고 만난다. 제1 릿지 측면부(71) 및 제2 릿지 측면부(72) 각각은 오목 형상을 갖는다. 제1 릿지 측면부(71)는 하방에 배치된 벤트 홀(34)로부터 분출된 가스 제트를 제2 방향(x)으로 편향시키고, 제2 릿지 측면부(72)는 벤트 홀(34)로부터 분출된 가스를 제2 방향과 반대되는 방향(-x)으로 편향시킨다. 제2 실시예에 따른 전지 시스템(100)에서, 적어도 하나의 릿지부는 벤트 홀(34)로부터 방출된 가스를 냉각하도록 구성된다.
도 6의 제1 버전(A)에 따른 릿지부에 의하면, 릿지부(70)는 릿지부(70)에 내장되며 연장되는 냉매 덕트(73)를 포함한다. 즉, 각 릿지부(70)에는 냉매 덕트(73)가 제1 방향(y)으로 연장되고, 하나의 전지 모듈(90)의 벤트 홀(34)과 정렬된다. 냉매 덕트(73)는 제1 릿지 측면부(71), 제2 릿지 측면부(72) 및 전지 시스템 커버(60)의 일부에 둘러싸여 있다. 냉매 덕트(73)는 일체형 릿지부(70) 내의 중공부 및/또는 전지 시스템 커버(60)의 릿지부(70)에 몰드된 냉매 파이프일 수 있다. 냉매 덕트(73)는 하나의 종단부(미도시)에서 제1 냉매 포트(미도시)에 종결되며, 다른 하나의 종단부(미도시)에서 제2 냉매 포트(미도시)에 종결된다. 각 냉매 덕트(73)의 제1 냉매 포트(미도시) 및 제2 냉매 포트(미도시)는 외부 냉매 회로(미도시)에 유체적으로 연결되도록 구성된다.
도 6의 제2 버전(B)에 따른 릿지부에 의하면, 히트 싱크(74)가 적어도 하나의 릿지부(70)에 대향하는 전지 시스템 커버(60)의 상면에 배치된다. 이 변형 실시예에 따르면, 릿지부(70) 및 전지 시스템 커버(60)는 높은 열 전도성을 갖는 물질, 바람직하게는 알루미늄으로 제조된다. 이에 따라, 방출 가스 제트로부터 만들어진 열은, 전지 시스템 커버(60)를 통해 히트 싱크(74)로 효율적으로 전달되어 히트 싱크(74)에서 소산된다. 바람직한 실시예에 따르면, 히트 싱크(74)는 확장된 표면 영역, 즉 적어도 하나의 주름진 표면을 포함하거나 적어도 하나의 표면에 배치된 다수 개의 릿지부를 포함할 수 있다. 선택적으로 또는 추가적으로, 히트 싱크(74)는 히트 싱크(74) 내에 배치된 적어도 하나의 냉매 덕트(미도시)를 포함할 수 있다. 히트 싱크(74) 내의 냉매 덕트는 본 발명의 제2 실시예 버전(A)의 냉매 덕트(73)와 동일한 외부 냉매 회로에 연결되도록 구성될 수 있다.
도 6에 더욱 도시된 바와 같이, 전지 시스템(100)은 전지 모듈(90), 즉 다수 개의 전지 셀(80)을 수용하기 위한 하우징(75)을 더 포함한다. 도시된 실시예에 따르면, 전지 시스템 커버(60)는 하우징(75) 상부 개구부를 밀봉하는 구조로 하우징(75)의 일부를 형성한다. 하우징(75)은 하우징의 측벽에 연결된 베이스 플레이트를 더 포함한다. 서로 마주하는 하우징(75)의 2개의 측벽은 각각 벤트 홀(34)로부터 분출되고 하나 이상의 릿지부(70)로부터 편향된 가스를 배출하기 위한 배기구(76)를 포함한다.
-부호의 설명-
60: 전지 시스템 커버 70: 릿지부
71: 제1 릿지 측면부 72: 제2 릿지 측면부
73: 냉매 덕트 74: 히트 싱크
75: 하우징재 76: 배기구
80: 전지 셀탭 90: 전지 모듈

Claims (15)

  1. 제1 방향을 따라 배열된 적어도 하나의 다수 개의 정렬 전지 셀; 및
    상기 다수 개의 정렬 전지 셀을 덮기 위한 전지 시스템 커버
    를 포함하고,
    상기 다수 개의 정렬 전지 셀 각각은, 전극 조립체가 수용되는 전지 케이스, 상기 전지 케이스에 배치되는 캡 조립체, 및 상기 캡 조립체에 제공된 벤트 홀을 포함하고
    상기 전지 시스템 커버는 상기 다수 개의 정렬 전지 셀과 마주하는 하부면에 배치된 적어도 하나의 릿지부를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 릿지부는 상기 제1 방향을 따라 연장되고 상기 다수 개의 정렬 전지 셀의 상기 벤트 홀과 정렬되어, 상기 제1 방향과 대략 수직을 이루는 제2 방향을 따라 상기 벤트 홀에서 분출되는 가스를 편향시키도록 구성된, 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수 개의 정렬 전지 셀의 상기 벤트 홀은 상기 제1 방향을 따라 정렬되는 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 릿지부는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에 대해 대략 수직을 이루는 제3 방향으로 상기 벤트 홀로부터 이격 배치되는 전지 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 릿지부는 상기 제2 방향에 따른 단면이 상기 전지 셀을 향해 경사진 전지 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 릿지부는 제1 릿지 측면부와 제2 릿지 측면부를 포함하고,
    상기 제1 릿지 측면부는 상기 벤트 홀에서 분출되는 가스를 상기 제2 방향을 따라 편향시키도록 구성되며,
    상기 제2 릿지 측면부는 상기 벤트 홀에서 분출되는 가스를 상기 제2 방향과 반대되는 방향을 따라 편향시키도록 구성된 전지 시스템.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 릿지부는 상기 제2 방향에 따른 단면이 대략 삼각형인 전지 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 릿지 측면부 및 상기 제2 릿지 측면부는 상기 제2 방향에 따른 단면이 오목하게 형성된 전지 시스템.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 릿지부는 상기 벤트 홀에서 분출되는 가스를 냉각시키도록 구성된 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 릿지부는 적어도 하나의 냉매 덕트를 포함하는 전지 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 릿지부 및/또는 상기 전지 시스템 커버는 열 전도율이 높은 재료로 형성되고,
    상기 하나 이상의 릿지부와 반대되는 방향을 따라 상기 전지 시스템 커버의 상부면에 히트 싱크가 배치된 전지 시스템.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수 개의 전지 모듈은 상기 제2 방향을 따라 서로 이격 배치되고,
    상기 각 전지 모듈은 상기 제1 방향을 따라 배열된 다수 개의 전지 셀을 포함하며,
    상기 전지 시스템 커버는 상기 제2 방향을 따라 서로 이격 배치되는 다수 개의 릿지부를 포함하고, 상기 각 릿지부는 상기 제1 방향을 따라 연장되고 하나의 상기 전지 모듈에 대해 상기 정렬 전지 셀의 상기 벤트 홀과 정렬된 전지 시스템.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 전지 셀은 양극 단자와 음극 단자를 더욱 포함하고, 상기 벤트 홀은 상기 양극 단자 및 음극 단자 사이에 이격 배치된 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 양극 단자와 상기 음극 단자는 상기 제2 방향을 따라 서로 이격 배치되고, 상기 벤트 홀은 상기 양극 단자와 상기 음극 단자 사이에 배치된 전지 시스템.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수 개의 상기 전지 셀을 수용하는 하우징을 더욱 포함하고,
    상기 전지 시스템 커버는 상기 하우징에 부착되도록 구성된 전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 방향을 따라 배치된 상기 하우징의 하나 이상의 측벽은 상기 벤트 홀에서 분출되어 상기 하나 이상의 릿지부로부터 편향한 배기 가스를 방출하기 위해 배기구를 포함하는 전지 시스템.
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