KR100891079B1 - 전지 모듈용 전지 카트리지 연결 시스템 - Google Patents

전지 모듈용 전지 카트리지 연결 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 판상 본체, 체결부 및 전기적 연결부로 이루어진 버스 바; 상기 버스 바가 용이하게 장착될 수 있는 베이스 플레이트; 및 상기 버스 바에 용이하게 결합될 수 있고 상기 베이스 플레이트에 콤팩트하게 장착될 수 있는 PCB(Printed Circuit Board)를 포함하는 것으로 구성되어 있는 전지 모듈용 전지 카트리지 연결 시스템, 및 그것을 포함하는 전지 모듈 및 중대형 전지 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 전체적으로 콤팩트한 구조의 전지 모듈 또는 전지 시스템을 제조할 수 있고, 그럼에도 불구하고 용이하게 전기적 연결 및 기계적 체결을 이룰 수 있으며, 그러한 연결 이후에도 연결부위의 전기저항 등과 같은 전기적 특성과 외부의 충격 내지 진동에 대한 기계적 강성이 우수할 뿐만 아니라, 제조 과정 또는 이후의 정비 과정 등에서 사용자 또는 작업자의 쇼트 위험성을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

전지 모듈용 전지 카트리지 연결 시스템 {Battery Cartridge-connecting System For Battery Module}
도 1은 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 전지 카트리지의 사시도이다;
도 2는 도 1의 전지 카트리지에 사용되는 내장 프레임 부재의 사시도이다;
도 3은 전지 카트리지에 2 개의 단위전지를 장착한 상태의 사시도이다;
도 4는 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 버스 바의 사시도이고, 도 5는 그것의 부분 확대도이다;
도 6은 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 베이스 플레이트의 사시도이다;
도 7은 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 PCB가 다수의 버스와 연결된 상태의 사시도이다;
도 8은 도 5의 플레이트에 도 6의 버스 바 및 PCB가 장착된 상태의 정면 사시도이고, 도 9는 그것의 배면 사시도이다;
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 제조에 사용되는 박스형 모듈 케이스의 사시도이다;
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도이다;
도 12는 본 발명에 따른 전지 모듈에 장착될 수 있는 하나의 실시예에 따른 안전 플레이트의 사시도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100: 전지 카트리지 200: 단위전지
300: 버스 바 400: 베이스 플레이트
500: PCB 600: 모듈 케이스
700: 안전 플레이트 800: 전지 모듈
본 발명은 전지 모듈용 전지 카트리지 연결 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 판상 본체, 체결부 및 전기적 연결부로 이루어진 버스 바; 상기 버스 바가 용이하게 장착될 수 있는 베이스 플레이트; 및 상기 버스 바에 용이하게 결합될 수 있고 상기 베이스 플레이트에 콤팩트하게 장착되는 PCB(Printed Circuit Board)를 포함하는 것으로 구성되어 있는 전지 모듈용 전지 카트리지 연결 시스템, 및 그것을 포함하는 전지 모듈 및 중대형 전지 시스템을 제공한다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 동력원으로도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들이 디바이스 1 대당 하나 또는 서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지 시스템이 사용된다.
중대형 전지 시스템에 단위전지로서 많이 사용되는 파우치형 이차전지는 일반적으로 알루미늄과 폴리머 수지의 라미네이트 시트의 전지 케이스로 포장되어 있으므로 기계적 강성이 크지 않기 때문에, 일반적으로, 다수의 단위전지들을 직렬 또는 병렬로 연결하는 카트리지에 내장하고 이러한 카트리지 다수 개를 전기적으로 연결한 전지 모듈이 사용되고 있다.
현재 하이브리드 전기자동차용 전지 모듈로서 많이 사용되고 있는 것은 단위전지(이차전지)의 전해액이 흘러 나오지 않도록 밀폐형의 구조로 이루어져 있다. 그러나, 이러한 밀폐형 전지 모듈은 전해액의 누출을 방지한다는 장점은 있지만, 단위전지에서 발생하는 열이 축적되어 전지의 열화가 촉진되는 문제점과, 일부 또는 다수의 단위전지의 비정상적인 작동으로 인한 과열로 인해 발화 또는 폭발의 위험성이 있다는 문제점을 가지고 있다. 최근 단위전지로의 사용가능성에 대해 관심을 모으고 있는 리튬이온 이차전지나 리튬이온 폴리머 이차전지는 충방전 과정에서 열이 발생되는 바, 이러한 열이 계속적으로 축적되면, 전지의 열화가 촉진되고, 더나아가 발화 및 폭발의 위험성까지도 존재한다.
이러한 문제점을 해결할 수 있는 신규한 구조의 전지 카트리지와 전지 모듈이 본 출원인에 의해 개발되어 한국 특허출원 제2004-111699호로서 출원된 바 있다.
상기 출원의 전지 카트리지 및 전지 모듈은 기계적 강성이 떨어지는 단위전지를 안정적으로 장착할 수 있고, 단위전지의 효과적인 방열을 이룰 수 있으며, 전지의 비정상적인 작동시 발생하는 과열을 해소함으로써, 전지의 수명과 안전성을 향상시킬 수 있는 특징이 있다. 또한, 이러한 전지 모듈은 전체적으로 콤팩트한 구조로 제조되므로 소형이면서 고출력 대용량의 전지 모듈 또는 전지 시스템을 제공하는데 바람직하다.
반면에, 콤팩트한 전지 모듈 또는 전지 시스템의 제작을 위해서는 단위전지들간의 전기적 연결 및 기타 부품들과의 결합 등을 좁은 공간에서 수행하는데, 그로 인해 쇼트의 위험성이 존재하고, 용접이나 볼트 및 너트 등을 사용하는 기계적 체결이 일반적으로 용이하지 않다. 이러한 어려움을 고려하여, 일부 선행기술에서는 스프링 등의 탄성 부재를 사용하여 접촉방식으로 단위전지들간의 전기적 연결을 이루는 방법을 제시하고 있지만, 기계적 강성이나 진동에 대한 내성이 낮고, 부식 등의 위험에 노출되어 접촉저항이 커지며, 연결 부위가 쉽게 떨어지는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점은 단위전지의 전압 및 온도를 측정하기 위해 장착되는 PCB에 대해서도 동일하게 발생한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 첫번째 목적은, 콤팩트한 구조의 전지 모듈 또는 전지 시스템에서, 용이하게 전기적 연결 및 기계적 체결을 이룰 수 있고, 그러한 연결 이후에도 연결부위의 전기저항 등과 같은 전기적 특성과 외부의 충격 내지 진동에 대한 기계적 강성이 우수한 전지 카트리지 연결 시스템을 제공하는 것이다. 이와 같은 우수한 전기적 특성과 기계적 강성은 단위전지가 내장된 전지 카트리지들의 전기적 연결, 전압 및 온도 측정을 위한 PCB의 장착 및 전기적 연결 등에 모두 적용될 수 있다.
본 발명의 두번째 목적은 전지 모듈 또는 전지 시스템의 제조 과정 또는 이후의 정비 과정 등에서 사용자 또는 작업자의 쇼트 위험성을 방지할 수 있는 전지 카트리지 연결 시스템을 제공하는 것이다. 쇼트 위험성을 방지함으로써 제품의 불량률을 낮추고 작업 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 세번째 목적은, 상기 전지 카트리지 연결 시스템을 포함함으로써 전체적으로 콤팩트하고 전기적 연결이 안정적이며 기계적 특성을 포함한 내구성이 우수한 전지 모듈 및 그것을 포함하는 전지 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지 모듈용 전지 카트리지 연결 시스템은,
전지 카트리지를 전기적으로 연결할 수 있는 부재로서, 전지의 전극단자에 면상 접촉하는 판상 본체, 상기 본체 양단의 적어도 일부가 절곡되어 형성된 체결부, 및 상기 본체 양단의 적어도 일부가 절곡되어 형성된 전기적 연결부를 포함하고 있고, 상기 체결부에는 하기 베이스 플레이트의 체결돌기에 결합될 수 있는 체결홈이 형성되어 있으며, 상기 전기적 연결부는 하기 PCB의 해당 부위에 삽입되어 결합할 수 있는 돌기형상으로 되어 있는 버스 바(bus bar);
다수의 버스 바가 장착될 수 있는 부재로서, 버스 바가 삽입되어 장착되기 위한 다수의 개구를 포함하고 있고, 상기 개구에는 버스 바의 상기 체결홈에 결합될 수 있는 체결돌기가 형성되어 있는 베이스 플레이트(base plate); 및
다수의 버스 바에 전기적으로 연결되는 부재로서, 버스 바의 상기 돌기형 연결부가 삽입되어 결합될 수 있는 결합홈이 형성되어 있는 PCB(Printed Circuit Board);
를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지 카트리지 연결 시스템은, 다수의 버스 바를 기계적 체결에 의해 베이스 플레이트에 손쉽게 장착할 수 있고, 버스 바에 PCB를 용이하게 전기적으로 연결할 수 있으며, 전체적으로 콤팩트한 구조에도 불구하고 결합 부위들의 기계적 안정성이 우수하다.
상기 전지 카트리지의 바람직한 예로는, 단위전지를 수납할 수 있는 1 쌍의 외장 프레임 부재(a, b)와 그러한 부재(a, b) 사이에 개재되는 내장 프레임 부재(c)를 포함하는 것으로 구성되어 있고, 상기 제 1 외장 프레임 부재(a)와 내장 프 레임 부재(c) 사이에 단위전지가 장착되고 제 2 외장 프레임 부재(b)와 내장 프레임 부재(c) 사이에 또다른 단위전지가 장착되는 구조로 되어 있다. 경우에 따라서는 외장 프레임 부재(a 또는 b)와 내장 프레임 부재(c) 사이에 둘 또는 그 이상의 단위전지가 내장되도록 구성할 수도 있다.
전지 카트리지에 두 개의 단위전지가 장착된 상태에서 각 단위전지의 전극단자는 프레임 부재(a, b, c)의 상단으로 돌출된다. 하나의 바람직한 예에서, 내장 프레임 부재(c)의 상단 중 한쪽 전극단자(양극 또는 음극단자)에 대응하는 부위에는 전극단자 방향으로 스커트가 형성되어 있고, 그에 대응하는 위치의 베이스 플레이트에는 상기 스커트가 결합될 수 있는 그루브가 형성되어 있다. 이와 같은 스커트와 그루브의 구조는, 이후 자세히 설명하는 바와 같이, 버스 바가 장착되어 있는 베이스 플레이트를 전지 카트리지와 조립할 때, 양극과 음극의 잘못된 연결로 인해 초래될 수 있는 쇼트를 방지하고 베이스 플레이트와 전지 카트리지의 결합 위치를 정확하게 설정할 수 있게 하는 역할을 한다.
전지 카트리지에 장착된 전지의 전극단자와 베이스 플레이트에 장착된 버스 바는 조립이 완료된 상태에서, 바람직하게는, 용접 또는 솔더링을 행하여 상호 결합 상태 및 전기적 연결 상태를 더욱 견고히 할 수 있다. 그 중 용접이 특히 바람직한 바, 이러한 용접은 레이저 용접, 저항 용접 등으로 달성될 수 있다.
바람직하게는 상기와 같은 용접을 용이하게 실행할 수 있도록, 단위전지의 전극단자가 절곡되어 안착되는 외장 프레임 부재(a. b)의 상단 안착부의 하부에는 단위전지에 대해 가로방향으로 만입부가 형성되어 있고, 상기 안착부에는 세로방향 으로 만입부에 연통되어 있는 다수의 용접 홈이 형성되어 있다. 따라서, 다수의 전지 카트리지를 중첩시킨 상태에서, 예를 들어, 저항 용접(또는 스폿 용접)을 행하는 경우, 용접 팁의 하나를 상기 만입부와 용접 홈을 통해 안착부 상의 전극단자 하단에 접속시키고, 다른 용접 팁을 버스 바 상단에 접속시켜 용접을 행할 수 있다. 또한, 상기 용접홈은 버스 바 상단에서 레이저 용접을 수행하는 경우에도 도움이 되는 것으로 확인되었다.
하나의 바람직한 예에서, 단위전지의 온도를 측정하기 위한 써미스터가 전지 카트리지에 추가적으로 장착될 수 있는 바, 상기 써미스터는 내장 프레임 부재(c)의 음극단자 안착부와 양극단자 안착부 사이의 홈을 통해 단위전지들 사이에 설치될 수 있다.
프레임 부재들간의 결합은 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들어, 볼트/너트, 리벳, 용접, 접착제, 암수나사 체결물 또는 체결구조 등 다양한 결합 방식에 의해 달성될 수 있다.
프레임 부재들의 소재 역시 특별히 제한되는 것은 아니고, 플라스틱 수지, 금속 등 다양한 소재들이 사용될 수 있으며, 다만, 금속과 같은 도전성 소재가 사용되는 경우에는, 전극리드의 인출 부위를 별도로 전기적으로 절연하는 것이 필요하다.
카트리지에 내장되는 이차전지는 충방전이 가능한 전지로서, 바람직하게는 높은 집적도(밀집도)로 축적될 수 있는 각형 전지 또는 파우치형 전지 등이 사용될 수 있으며, 그 중 파우치형 전지가 더욱 바람직하다.
단위전지는 양극, 음극, 분리막 및 전해질이 전지 케이스에 밀봉된 상태로 내장되어 있으며, 얇은 필름상의 양극과 음극 사이에 미세 다공성 분리막이 개재된 전극 조립체가 권취된 형태의 젤리-롤형 구조와 양극/분리막/음극의 풀셀 또는 바이셀이 순차적으로 적층된 형태의 스택형 구조 등 다양한 구조가 가능하다. 양극과 음극에 각각 도포되어 있는 활물질 역시 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 양극 활물질은 높은 안전성의 리튬 망간계 산화물로 이루어져 있고, 음극 활물질은 탄소 재료로 이루어져 있다. 특히, 바람직한 단위전지는 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지이다.
상기 버스 바는 앞서 설명한 바와 같이 판상 본체, 체결부 및 전기적 연결부를 포함하는 것으로 구성되어 있으며, 체결부와 전기적 연결부는 판상 본체의 양단을 적절히 절곡하여 형성될 수 있다. 상기 체결부는 베이스 플레이트의 개구에 장착될 때 탄력적으로 용이하게 결합될 수 있도록, 바람직하게는 2회 또는 그 이상으로 절곡된 구조로 되어 있다.
체결부와 전기적 연결부의 절곡 방향은 바람직하게는 서로 동일하고 체결부의 폭이 전기적 연결부보다 커서 베이스 플레이트의 개구에 장착되었을 때 개구에 대한 결합력은 체결부에 의해 제공될 수 있도록 구성할 수 있다.
상기 베이스 플레이트는 다수의 중첩된 전지 카트리지들의 상단부, 즉, 전극단자들 상에 부착되며, 일련의 중첩된 전지 카트리지의 한쪽 전극단자들을 연결하는 버스 바들이 장착되는 개구들(상부 개구열)과 반대쪽 전극단자들을 연결하는 버스 바들이 장착되는 개구들(하부 개구열)을 포함하고 있다. 상부 개구열과 하부 개구열은 바람직하게는 서로 엇갈리도록 배치되며, 그에 대해서는 이후 자세히 설명한다. 상기 두 개구열 중 하나의 개구열에는, 앞서 설명한 바와 같이, 전지 카트리지의 스커트와 맞물릴 수 있도록 그루브가 형성되어 있고, 다른 개구열에는 대응 스커트가 형성되어 있을 수 있다.
상기 PCB(Printed Circuit Board)는, 단위전지들 간의 전위차를 적정 수준으로 유지시키고 과충전, 과방전, 과전류 등을 방지할 수 있는 회로를 포함하고 있는 BMS(Battery Management System)에 단위전지들의 전압, 온도 등에 관한 정보를 제공하기 위한 회로가 형성되어 있다. PCB는 일반적으로 상기 회로가 변성 에폭시 수지 복합체로 이루어진 판상 소재에 형성되어 있으며, 각각의 버스 바에 전기적으로 연결되어 있다. PCB에는, 앞서 설명한 바와 같이, 버스 바의 전기적 연결부가 삽입되어 결합될 수 있는 결합홈이 버스 바와의 대면 부위에 형성되어 있다. 하나의 바람직한 예에서, 결합홈은 PCB의 측면으로부터 돌출된 돌기 상에 형성되어 있다. 버스 바의 전기적 연결부를 PCB의 결합홈에 삽입한 후, 바람직하게는 솔더링을 추가적으로 행할 수 있다. 써미스터가 전지 카트리지에 장착된 경우, PCB에는 상기 써미스터에 연결될 수 있는 커넥터가 형성되어 있다. 결함홈, 써미스터 커넥터 등은 PCB 상의 회로를 통해 BMS에 전기적으로 연결되어 있음은 물론이다.
본 발명은 또한 이러한 전지 카트리지 연결 시스템을 포함하고 있는 전지 모듈을 제공한다.
즉, 본 발명에 따른 전지 모듈은,
상기 전지 카트리지의 둘 또는 그 이상의 조합체;
상기 카트리지 조합체를 삽입하여 장착할 수 있도록 개방된 전면부와 내부 공간을 가지고 있는 박스형의 케이스; 및
상기 케이스의 개방 전면부에 결합되는 상기 전지 카트리지 연결 시스템;
을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 전지 모듈은 전체적으로 콤팩트하고, 구조적 안전성이 우수하다. 상기 전지 모듈은 콤팩트한 구조에도 불구하고 충방전시 단위전지로부터 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있는 개방형 구조로 제조될 수 있으며, 그에 관한 자세한 내용은 본 출원인의 한국특허출원 제2004-111699에 기재되어 있으며, 상기 출원의 내용은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
다수의 전지 카트리지를 모듈 케이스에 삽입하여 장착하고 전지 카트리지 연결 시스템(버스 바와 PCB가 장착된 베이스 플레이트)을 모듈 케이스의 개방 전면부에 결합한 후, 전지 카트리지의 전극단자와 버스 바를 용접할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 베이스 플레이트의 외면을 커버하며, 베이스 플레이트의 개구에 삽입될 수 있는 형상과 크기를 가진 삽입부가 다수 형성되어 있는 안전 플레이트를 추가로 포함할 수 있다. 상기 안전 플레이트의 삽입부는, 버스 바와 전지 카트리지의 전극단자의 밀착 증대, 외부 충격 인가시 버스 바의 탈리 방지, 및 버스 바의 쇼트 가능성을 방지하는 등의 역할을 한다.
이러한 조립 과정이 완료된 상태에서 베이스 플레이트의 외면에는 버스 바가 일부 노출되어 있다. 따라서, 바람직하게는,
또한, 본 발명은 상기 전지 모듈을 다수 개 전기적으로 연결한 고출력 대용 량의 전지 시스템(또는 전지 팩)을 제공한다. 바람직하게는, 전지 모듈간의 효과적인 결합을 위한 체결부재를 별도로 포함할 수 있다.
본 발명의 전지 시스템은 고출력 대용량의 전지 시스템에 사용될 수 있으며, 바람직하게는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차, 그 중에서도 특히 하이브리드 자동차의 전지 시스템에 사용될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 전지 카트리지의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지 카트리지는(100)는 한쌍의 외장 프레임 부재(110, 120)와 그 사이에 위치하는 내장 프레임 부재(130)로 이루어져 있다. 이들 프레임 부재들(110, 120, 130)에 대한 더욱 자세한 설명은 본 출원인의 상기 특허출원 제2004-111699호의 기재 내용을 참조할 수 있다.
2 개의 단위전지(도시하지 않음)가 제 1 외장 프레임 부재(110)와 내장 프레임 부재(130) 사이의 중공부와 제 2 외장 프레임 부재(120)와 내장 프레임 부재(130) 사이의 중공부에 각각 장착된다. 각 프레임 부재들(110, 120, 130)의 중간 부위에는 장착된 단위전지들을 지지할 수 있도록 가로방향으로 다수의 지지대(140)가 설치되어 있다.
내장 프레임 부재(130)에는 단위전지의 온도를 측정할 수 있는 써미스터 (150)가 설치된다. 내장 프레임 부재(130)의 더욱 자세한 구조는 도 2를 참조하여 설명할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 외장 프레임 부재(110, 120)의 상단에는 단위전지가 장착된 상태에서 단위전지의 전극단자가 절곡되어 안착될 수 있는 안착부(112, 114)가 형성되어 있고, 안착부(112, 114)의 하부는 단위전지에 대해 가로방향으로 만입부(115)가 형성되어 있다. 또한, 안착부(112, 114)에는 만입부(115)와 연통되는 다수의 용접홈(116)이 형성되어 있다. 따라서, 조립 과정에서, 안착부(112, 114) 상의 전극단자(도시하지 않음)와 버스 바(도시하지 않음)에 대해, 예를 들어, 저항용접을 행할 때, 하나의 용접 팁(160)은 만입부(115)와 용접홈(116)을 통해 전극단자의 하단면에 접속될 수 있다.
전지 카트리지(100) 상단의 두 안착부(112, 114) 중 한쪽 안착부(112)에는 스커트(117)가 돌출되어 있다. 더욱 상세하게는, 도 2에서와 같이, 내장 프레임 부재(130) 상단의 한쪽 안착부(132)에는 스커트(117)가 가로방향으로 돌출되어 연장되어 있다. 이에 대해서는, 도 3을 참조하여 하기에서 설명한다.
도 3에는 도 1의 전지 카트리지에 단위전지가 장착된 상태의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 제 1 외장 프레임 부재(110)와 내부 프레임 부재(130) 사이에 장착된 단위전지(200)의 전극단자들(210, 220)과 제 2 외장 프레임 부재(120)와 내장 프레임 부재(130) 사이에 장착된 단위전지(201)의 전극단자들(211, 221)은 각각 전지 카트리지 상단의 안착부(112, 114) 상에 절곡되어 있다. 구체적으로, 전극단자들(210, 220)은 도면에서 상향 절곡되어 있고, 전극단자들(211, 221)은 도면에서 하향 절곡되어 있다.
예를 들어, 단위전지(200)의 전극단자(210)가 양극단자이고 전극단자(220)가 음극단자라고 할 때, 단위전지(201)의 전극단자(211)는 음극단자이고 전극단자(221)는 양극단자이다. 따라서, 이들 두 단위전지들(200, 201)을 직렬로 연결할 때, 단위전지(200)의 음극단자(220)와 단위전지(201)의 양극단자(221)는 버스 바(도시하지 않음)에 의해 전기적으로 직접 연결되고, 단위전지(200)의 양극단자(210)는 인접한 전지 카트리지(도시하지 않음)의 단위전지(A)의 양극단자에 연결되며, 단위전지(201)의 음극단자(211)는 인접한 전지 카트리지(도시하지 않음)의 단위전지(B)의 양극단자에 연결된다.
따라서, 전지 카트리지(100)의 안착부들(112, 114) 중 하나의 안착부(114) 상에 절곡되어 있는 전극단자들(220, 221)은 서로 직접 연결되며, 나머지 다른 안착부(112) 상에 절곡되어 있는 전극단자들(210, 211)은 서로 연결되지 않고 인접한 서로다른 전지 카트리지의 전극단자들에 연결되어야 한다. 이때, 안착부(112) 상의 스커트(117)는 그것의 양측에 절곡되어 있는 전극단자(210, 211)들이 버스 바에 의해 서로 직접 연결되지 않도록 함으로써, 잘못된 조립에 의한 쇼트를 방지하여 준다.
도 4에는 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 버스 바의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 버스 바(300)는 판상 본체(310)의 양단에 각각 체결부 (320)와 전기적 연결부(330)가 형성되어 있다. 판상 본체(310)의 하면은 전지 카트리지 상의 전극단자들(도 3 참조)에 접속되어 추후 용접 내지 솔더링된다. 체결부(320)과 연결부(330)는 그러한 전극단자들의 접속면에 대해 반대 방향으로 절곡되어 있다.
체결부(320)과 연결부(330)의 더욱 자세한 구조는 도 5를 참조하여 설명할 수 있다. 체결부(320)는 판상 본체(310)의 단부를 2회 절곡한 구조로 되어 있다. 즉, 판상 본체(310)의 단부를 90도로 상향 절곡한 후 다시 180도로 하향 절곡하여 만들어진다. 따라서, 버스 바(300)가 베이스 플레이트(도시하지 않음)에 장착될 때, 더욱 탄력적인 결합력을 제공하며, 굴곡된 상단면(321)은 베이스 플레이트의 개구에 삽입되는 과정을 더욱 용이하게 하여 준다. 또한, 체결부(320)의 중앙에는, 조립 과정에서, 베이스 플레이트 개구 상의 체결구(도시하지 않음)가 결합될 수 있는 체결홈(322)이 천공되어 있다.
체결부(320) 보다 짧은 길이로 판상 본체(310)의 또다른 일부 양단에 형성되어 있는 전기적 연결부(330)는 작은 폭으로 상향 돌출된 형상으로 이루어져 있다. 이러한 돌출형상의 연결부(330)는 PCB(도시하지 않음)의 해당 부위에 용이하게 삽입되어 전기적 연결을 이루게 된다.
도 6에는 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 베이스 플레이트의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 베이스 플레이트(400)는 두터운 판상 부재로서, 버스 바(도시하지 않음)가 각각 장착될 수 있는 다수의 개구들(410)을 포함하고 있다. 각 각의 개구(410)는 버스 바에 상응하는 크기의 대략 직사각형의 관통구로 이루어져 있으며, 버스 바 체결부(도 5의 320)의 체결홈(322)에 결합될 수 있는 체결구(420)가 내측면 양단에 형성되어 있다.
베이스 플레이트(400)의 개구들(410)은 중첩된 전지 카트리지들의 한쪽 전극단자들을 상호 연결하는 버스 바들이 장착되는 상부 개구열(401)과, 다른쪽 전극단자들을 상호 연결하는 버스 바들이 장착되는 하부 개구열(402)로 구별된다. 상부 개구열(401)의 개구들과 하부 개구열(402)의 개구들은, 도 3에서의 설명과 같이, 전극단자들의 전기적 연결시 버스 바의 접속 위치로 인해 교번 방식으로 엇갈려 배치되어 있다. 또한, 상부 개구열(401)에는 개구들 사이의 격벽 상에 스커트(430)가 형성되어 있고, 하부 개구열(402)에는 개구들 사이의 격벽 상에 그루브(440)가 형성되어 있다. 하부 개구열(402) 상의 그루브(440)는 전지 카트리지(도 3의 100) 상단 안착부(112) 상의 스커트(117)에 맞물리게 된다.
상부 개구열(401)과 하부 개구열(402) 사이의 브릿지(450)는 PCB(도시하지 않음)가 놓일 수 있도록 만입되어 있으며, 그것의 일부에 써미스터(도시하지 않음)의 커넥터가 위치할 수 있도록 다수의 홈이 형성되어 있다.
도 7에는 본 발명에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 PCB가 다수의 버스와 연결된 상태의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, PCB(500)는 판상의 부재로서, 버스 바(300)와의 연결부위에 돌기(510)가 형성되어 있고, 돌기(510)에는 버스 바(300)의 연결부(330)가 삽입될 수 있는 연결홈(512)이 천공되어 있다. 따라서, 연결부(330)를 연결홈(512)에 간단히 삽입함으로써, 버스 바(300)와 PCB(500)의 연결을 이룰 수 있으며, 이러한 연결방식은 조립된 상태에서 충격 내지 진동 등 외력이 작용하더라도 안정적으로 유지될 수 있다. 이러한 연결부위는 추후 솔더링을 행하여 기계적 및 전기적 결속을 더욱 견고히 할 수 있다. 단위전지(도시하지 않음)의 전압 등의 정보는 버스 바(300)의 연결부(330)를 통해 PCB(500)의 회로로 전달된 후 BMS(도시하지 않음)로 송부되어, 이를 바탕으로 단위전지의 제어가 이루어질 수 있다.
PCB(500)에는 BMS와의 전기적 연결을 위한 커넥터들(530, 540)이 표면 및 배면의 일부에 형성되어 있어 있다. 일 예로, 커넥터(530)는 Slave BMS와 Master BMS 간의 통신 케이블이 연결되는 커넥터일 수 있으며, 커넥터(540)는 Slave BMS로 전압 및 온도 신호가 전달되는 커넥터일 수 있다. 이들 커넥터(530, 540)의 위치는 서로 반대로 장착될 수 있으며, 경우에 따라서는 일부가 생략될 수 도 있다. 따라서, PCB(500)와 BMS간의 전기적 연결을 이룰 수 있다는 다양한 구성이 가능하며, 이들은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
도 8과 도 9에는 도 5의 베이스 플레이트에 도 6의 버스 바 및 PCB가 장착된 상태의 정면 및 배면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 베이스 플레이트(400)의 체결구(420)에 버스 바(300)의 체결홈(322)이 결합됨으로써 베이스 플레이트(400)에 대한 버스 바(300)의 장착이 이루어진다. 이와 같이 버스 바(300)가 장착된 상태에서 베이스 플레이트(400)의 정면(또는 외면)에는 개구(410)를 통해 버스 바(300)의 체결부(320)가 노출되어 있고, 배면(또는 내면)에는 버스 바(300)의 판상 본체(310)가 노출되어 있다. 배 면의 버스 바 판상 본체(310)에는 전지 카트리지(도 3의 100)의 전극단자가 접속된 후 바람직하게는 레이저 용접 또는 저항 용접이 행해진다. 베이스 플레이트(400)의 체결구(420)와 버스 바(300)의 체결홈(322) 사이의 탄력적인 결합으로 인해, 다수의 전지 카트리지들이 장착된 전지 모듈(도시하지 않음)에 베이스 플레이트(400)가 결합될 때, 버스 바(300)의 판상 본체(310)가 전지 카트리지 상의 전극단자에 다소 가압된 상태로 접속될 수 있어서, 용접 또는 솔더링을 수행하기에 바람직한 조건이 형성된다.
PCB(500)는 베이스 플레이트(400)의 배면에 장착되며(도 8에서는 점선으로 표시함), 베이스 플레이트(400)의 브릿지(450) 상에 위치한다. PCB(500)에는 써미스터(도 1의 150)에 연결되는 커넥터(540)가 형성되어 있다.
이상, 도 1 내지 도 9을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 카트리지 연결 시스템은 특정한 구조에 의해 조립을 용이하게 행할 수 있고, 더욱이 조립된 상태에서의 기계적 및 전기적 결합이 우수하여 충격, 진동 등의 외력이 가해지더라도 결합 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.
도 10에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 제작에 사용되는 박스형 모듈 케이스의 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 11에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 모듈 케이스(600)는 개방된 전면부(610)와, 다수의 전지 카트리지(100)가 내장될 수 있는 내부공간(620)을 가지고 있으며, 전체적으로 박스형의 구조를 이루고 있다. 케이스 상단부(630)와 하단부(640)에는 내부공간 (620)과 연통되는 관통로(660)가 다수 형성되어 있고, 경우에 따라서는 이러한 관통로(660)는 배면부(670)에도 형성되어 있을 수 있다. 케이스 측면부(650)에는 BMS(도시하지 않음)가 장착된다.
케이스(600)에 다수의 전지 카트리지들(100)을 장착한 상태에서, 버스 바(300)와 PCB(도시하지 않음)가 장착된 베이스 플레이트(400)를 개방 전면부(610)에 설치한 후 볼트, 너트 등을 사용하여 케이스(600)와 조립한다.
이러한 조립 후, 케이스 상단부(630)에 형성되어 있는 유입구(632)를 통해 용접 팁(도시하지 않음)을 도입하여 버스 바(300)와 전극단자의 저항 용접을 행한다. 이러한 저항 용접시 또다른 용접 팁(도시하지 않음)은 베이스 플레이트(400)의 개구(410)에 노출되어 있는 버스 바(300)에 외면으로부터 접속시킨다. 경우에 따라서는, 개구(410)에 노출되어 있는 버스 바(300)에 직접 레이저 용접을 행할 수도 있다. 용접 팁이 도입되는 유입구(632)는, 도 1에서의 전지 카트리지(100)의 만입부(115)와 연통되어 있으므로, 용접 팁은 도 1에서 설명한 바와 같이 만입부(115)와 용접홈(116)을 통해 전극단자의 배면에 용이하게 접속될 수 있다.
경우에 따라서는, 도 12에 도시되어 있는 바와 같은 안전 플레이트를 베이스 플레이트(400)의 외면에 부착할 수도 있다.
도 12를 함께 참조하면, 안전 플레이트(700)는 베이스 플레이트(400)와 대략 유사한 외형을 가지고 있으며, 베이스 플레이트(400)의 개구(410)에 삽입될 수 있는 크기와 형상의 다수의 삽입부(710)를 포함하고 있다. 삽입부(710)는 도면에서와 같이 베이스 플레이트(400)의 개구(410)에 삽입되어, 버스 바(300)와 전지 카트 리지(도시하지 않음)의 전극단자의 밀착을 증대시키고, 외부 충격의 인가시 버스 바(300)가 탈리되지 않도록 지지하며, 버스 바(300)가 외부로 노출됨으로써 유발될 수 있는 쇼트의 가능성을 방지하여 준다.
다시 도 11을 참조하면, 이러한 조립 과정을 통해 완성된 전지 모듈(800)은 전체적으로 콤팩트한 구조를 가지므로 단위 체적당 고출력을 제공할 수 있으며, 외부 충격 등에 대해 높은 기계적 및 전기적 안정성을 제공한다.
더욱이, 상기와 같은 전지 모듈(800)을 다수개 전기적으로 연결하여 더욱 고출력 대용량의 전지 시스템을 제조할 수 있으며, 이 경우, 전지 모듈(800)의 전기적 연결은 베이스 플레이트(400)의 일 측면에 결합되는 커넥팅 부재(810)에 의해 달성된다. 이러한 전지 시스템은 전기자동차, 특히 하이브리드 전기자동차의 동력원으로서 매우 유용하다.
이상, 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 카트리지 연결 시스템과 그것을 포함하는 전지 모듈 및 전지 시스템은, 전체적으로 콤팩트한 구조로 제조될 수 있고, 그럼에도 불구하고 용이하게 전기적 연결 및 기계적 체결을 이룰 수 있으며, 그러한 연결 이후에도 연결부위의 전기저항 등과 같은 전기적 특성과 외부의 충격 내지 진동에 대한 기계적 강성이 우수할 뿐만 아니라, 제조 과정 또는 이후의 정비 과정 등에서 사용자 또는 작업자의 쇼트 위험성을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (21)

  1. 전지 카트리지를 전기적으로 연결할 수 있는 부재로서, 전지의 전극단자에 면상 접촉하는 판상 본체, 상기 본체 양단의 적어도 일부가 절곡되어 형성된 체결부, 및 상기 본체 양단의 적어도 일부가 절곡되어 형성된 전기적 연결부를 포함하고 있고, 상기 체결부에는 하기 베이스 플레이트의 체결돌기에 결합될 수 있는 체결홈이 형성되어 있으며, 상기 전기적 연결부는 하기 PCB의 해당 부위에 삽입되어 결합할 수 있는 돌기형상으로 되어 있는 버스 바;
    다수의 버스 바가 장착될 수 있는 부재로서, 버스 바가 삽입되어 장착되기 위한 다수의 개구를 포함하고 있고, 상기 개구에는 버스 바의 상기 체결홈에 결합될 수 있는 체결돌기가 형성되어 있는 베이스 플레이트; 및
    다수의 버스 바에 전기적으로 연결되는 부재로서, 버스 바의 전기적 연결부가 삽입되어 결합될 수 있는 결합홈이 형성되어 있는 PCB(Printed Circuit Board);
    를 포함하는 것으로 구성되어 있는 전지 모듈용 전지 카트리지 연결 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 카트리지는, 단위전지를 수납할 수 있는 1 쌍의 외장 프레임 부재(a, b)와 그러한 부재(a, b) 사이에 개재되는 내장 프레임 부재(c)를 포함하는 것으로 구성되어 있고, 상기 제 1 외장 프레임 부재(a)와 내장 프레임 부재(c) 사이에 단위전지가 장착되고 제 2 외장 프레임 부재(b)와 내장 프레임 부재(c) 사이에 또다른 단위전지가 장착되는 구조로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지 연결 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 내장 프레임 부재(c)의 상단 중 한쪽 전극단자(양극 또는 음극단자)에 대응하는 부위에는 전극단자 방향으로 스커트가 형성되어 있고, 그에 대응하는 위치의 베이스 플레이트에는 상기 스커트가 결합될 수 있는 그루브가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지 연결 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 카트리지에 장착된 단위전지의 전극단자와 베이스 플레이트에 장착된 버스 바는 조립이 완료된 상태에서 용접 또는 솔더링을 행하여 상호 결합 상태 및 전기적 연결 상태를 더욱 견고히 하는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지 연결 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전극단자와 상기 버스 바를 상호 용접하는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지 연결 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 용접을 용이하게 실행할 수 있도록, 단위전지의 전극단자가 절곡되어 안착되는 외장 프레임 부재(a. b)의 상단 안착부의 하부에는 단 위전지에 대해 가로방향으로 만입부가 형성되어 있고, 상기 안착부에는 세로방향으로 만입부에 연통되어 있는 다수의 용접 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지 연결 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 단위전지의 온도를 측정하기 위한 써미스터가 전지 카트리지에 추가적으로 장착되는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지 연결 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 써미스터는 내장 프레임 부재(c)의 음극단자 안착부와 양극단자 안착부 사이의 홈을 통해 단위전지들 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지 연결 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 단위전지는 파우치형 리튬이온 전지 또는 리튬이온 폴리머 전지인 것을 특징으로 하는 전지 카트리지 연결 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 체결부는 베이스 플레이트의 개구에 장착될 때 탄력적으로 용이하게 결합될 수 있도록, 2 회 또는 그 이상으로 절곡된 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지 연결 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 체결부와 전기적 연결부의 절곡 방향은 서로 동일하고 체결부의 폭이 전기적 연결부보다 커서 베이스 플레이트의 개구에 장착되었을 때 개구에 대한 결합력은 체결부에 의해 제공될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지 연결 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트는 다수의 중첩된 전지 카트리지들의 상단부 상에 부착되며, 일련의 중첩된 전지 카트리지의 한쪽 전극단자들을 연결하는 버스 바들이 장착되는 개구들(상부 개구열)과 반대쪽 전극단자들을 연결하는 버스 바들이 장착되는 개구들(하부 개구열)을 포함하고 있고, 상기 상부 개구열과 하부 개구열은 서로 엇갈리도록 교번 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지 연결 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 두 개구열 중 하나의 개구열에는 전지 카트리지의 스커트와 맞물릴 수 있도록 그루브가 형성되어 있고, 다른 개구열에는 대응 스커트가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지 연결 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 PCB의 결합홈은 PCB의 측면으로부터 돌출된 돌기 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지 연결 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 버스 바의 전기적 연결부를 PCB의 결합홈에 삽입한 후 솔더링을 행하는 것을 특징으로 하는 전지 카트리지 연결 시스템.
  16. 제 1 항에 따른 전지 카트리지 연결 시스템을 포함하고 있는 전지 모듈.
  17. 제 16 항에 있어서,
    전지 카트리지의 둘 또는 그 이상의 조합체;
    상기 카트리지 조합체를 삽입하여 장착할 수 있도록 개방된 전면부와 내부 공간을 가지고 있는 박스형의 케이스; 및
    상기 케이스의 개방 전면부에 결합되는 상기 전지 카트리지 연결 시스템;
    을 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  18. 제 16 항에 있어서, 다수의 전지 카트리지를 모듈 케이스에 삽입하여 장착하고 전지 카트리지 연결 시스템을 모듈 케이스의 개방 전면부에 결합한 후, 전지 카트리지의 전극단자와 버스 바를 용접하는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 외면을 커버하며, 베이스 플레이트의 개구에 삽입될 수 있는 형상과 크기를 가진 삽입부가 다수 형성되어 있는 안전 플레이트가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 전지 모듈.
  20. 제 16 항에 따른 전지 모듈을 다수 개 전기적으로 연결한 전지 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 시스템은 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지 시스템.
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