KR101652318B1 - 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱장치에 관한 것으로서, 본 발명은 이차전지모듈에서 구성된 각 전지셀간 밸런싱을 수행하는 셀밸런싱부에서 전지셀에서 출력된 전원을 통전시키는 패턴; 상기 패턴과 연결되는 밸런싱소자; 및 상기 밸런싱 소자에 연결된 패턴에 설치되어 상기 밸런싱소자에서 발열된 열을 방열시킬 수 있도록 상기 밸런싱 소자에 연결되는 패턴에서 다 수개가 관통형되는 다 수개의 비아홀이 형성되는 비아패턴과, 내부가 빈공간으로 이루어져 상기 패턴에 실장되는 공간판과, 상기 패턴에 일체형으로 형성되어 폭 방향으로 연장되는 확장패턴중 어느 하나 이상을 포함한다.

Description

방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치{CELL BALANCING APPARATUS CAPABLE OF HEAT-RADIATION FOR A LITHIUM ION SECONDARY BATTERY MODULE}

본 발명은 셀밸런싱 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리튬 이차전지모듈에서 전지셀간의 충전전압의 밸런스를 조절하는 셀 밸런싱 장치에서 발열된 열을 방열시킬 수 있어 오작동 및 수명단축을 방지할 수 있는 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치에 관한 것이다.

최근에 차량과 전원장치에 쓰이는 전지가 연축전지에서 리튬이온계 2차전지로 세대교체 되어가고 있다.

상기 리튬 이온계 이차전지모듈은 하나의 전지셀에 의한 단일셀 보다는 다 수개가 전기적으로 연결되어 고전압을 인가하나 용량을 증가시킬 수 있도록 다 수개의 전지셀이 연결되어 모듈화된 이차전지모듈로 출시되었다.

종래의 이차전지모듈은 전지셀 자체적으로 충방전 특성을 갖기에 시간이 경과될 수록 전지셀간의 충방전 전압의 밸런스가 맞지 않는 경향이 있다.

이러한 전지셀의 언밸런싱(UNBALANCINE)은 배터리 팩의 용량 손실을 초래할 수 있어 모든 배터리 전지의 과충전 및 과방전을 방지하기 위하여 셀밸런싱을 수행할 필요가 있다.

그러나 종래기술은 셀 밸런싱을 위하여 다양한 회로를 제안하고 있으며, 이중에서 전지셀에 연결되는 전원라인에 저항과 스위칭소자(예를 들면, FET)를 구비하는 바이패스 저항방식과, 콘덴서를 전지셀의 출력측에 설치하는 콘덴서 방식과, DC/DC컨버터를 전지셀 출력측에 설치하는 DC/DC컨버터 방식과, 제너다이오드를 설치하여 과충전시 전류가 흐르도록 하는 제너다이오드 방식이 제안되었다.

이중에서 바이패스 저항방식을 예로 들어 설명하자면, 종래에는 회로기판의 패턴에서 저항을 설치하고, 전지셀의 전압을 일정하게 맞추도록 저항으로 전류를 소모하여 전지셀간 전압차를 맞추는 방법이다.

하지만, 상기와 같은 종래기술은, 예를 들면, 바이패스 저항방식과 같이 저항부하로 셀밸런싱을 수행할 경우에 전류가 도통 되면서 저항에서 발열된 열로 인하여 주변온도가 상승 되어 주변의 아날로그 소자를 과열시킬 수 있어 오작동이나 수명을 단축시킬 수 있는 문제점이 발생된다.

등록특허공보 제10-0878941호(2009.01.08일 등록)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치에서 발열된 열을 방열시킬 수 있는 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치를 제공함에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 하기와 같은 실시예를 포함한다.

본 발명에 따른 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱장치의 바람직한 실시예는 하나 이상의 전지셀이 전기적으로 연결되는 이차전지모듈; 및 상기 이차전지모듈에서 구성된 각 전지셀간 밸런싱을 수행하는 셀밸런싱부를 포함하고, 상기 셀밸런싱부는 기판의 일면에서 상기 전지셀에서 출력된 전원을 통전시키는 패턴; 상기 패턴과 통전가능하도록 연결된 밸런싱소자; 및 상기 밸런싱 소자에 연결된 패턴에 설치되어 상기 밸런싱소자에서 발열된 열을 방열시키는 방열수단을 포함하고, 상기 방열수단은 전원의 통전 및 방열이 모두 가능한 방열가능하도록 다수개의 비아홀이 형성되고, 상기 밸런싱소자에 연결되는 상기 패턴에서 폭 방향으로 확장된 일체형의 비아패턴을 포함하는 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치를 제공한다.

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본 발명은 셀밸런싱 장치에서 발열된 열을 방열시킬 수 있어 주변 소자의 오작동을 방지하고, 열화에 의한 수명단축을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 기판에서 전류를 전달하는 패턴에 방열수단을 구비하기에 구조가 간단하여 저렴한 비용으로 제조가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치가 적용된 이차전지모듈의 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치에서 제1실시예를 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치에서 제2실시예를 도시한 측면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치에서 제3실시예를 도시한 도면이다.

이하에서는 본 발명에 따른 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치가 적용된 이차전지모듈의 블럭도, 도 2는 본 발명에 따른 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치를 도시한 회로도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 다 수개의 이차 전지셀(11)이 직렬 또는 병렬로 연결되어 고전압의 출력이 가능한 이차 전지모듈(10)과, 상기 이차전지모듈(10)의 각 전지셀(11)의 양단에 걸쳐 연결되는 전원라인을 스위칭하는 스위칭부(20)와, 상기 스위칭부(20)를 제어하는 충방전제어부(40)와, 상기 충방전제어부(40)의 제어에 의하여 온오프 되어 상기 전지셀(11)의 과충전을 방지하여 각 전지셀(11)간의 밸런싱을 유지하는 셀밸런싱부(30)와, 상기 충방전제어부를 제어하는 비엠에스(60)(BMS:BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)를 포함한다.

상기 이차전지모듈(10)은 하나 이상의 전지셀(11)이 직렬 또는 병렬로 연결되어 상기 충방전제어부(40)의 제어에 의하여 외부전원에 의하여 충전되거나 또는 연결된 전원라인을 통하여 충전된 전원을 출력한다.

상기 스위칭부(20)는 상기 충방전제어부(40)의 제어에 의하여 스위칭되어 상기 이차전지모듈(10)의 각 전지셀(11)의 출력측에 각각 연결되는 전원 라인을 차단 또는 통전 시킨다.

상기 충방전제어부(40)는 상기 비엠에스(60)의 제어에 의하여 전지셀(11)에 연결되는 셀밸런싱부(30)를 제어하여 다른 전지셀(11)과의 전압 밸런싱을 이루도록 한다.

상기 셀밸런싱부(30)는 바이패스 방식을 일예로 설명하며, 상기 바이패스 방식의 회로는 도 2에 도시된 바와 같다.

도 2를 참조하면, 상기 셀밸런싱부(30)는 상기 충방전제어부(40)의 제어에 의하여 온오프되는 스위칭소자(34)와, 상기 스위칭소자(34)가 온 되어 상기 전지셀(11)로부터 출력된 전류를 소모시키는 밸런싱소자(31)를 포함한다. 상기 밸런싱소자(31) 및 스위칭소자(34)는 기판(33) 위에서 패턴(32)으로 연장 형성되는 전원 라인에 실장된다. 상기 패턴(32)은 전도성 금속판(예를 들면, 동박판)으로 전원이 통전된다.

만약, 상기와 같은 셀밸런싱부(30)가 제너다이오드방식이라면, 저항과 스위칭소자(34) 대신 제너다이오드가 전지셀(11)의 양 출력단(+, -)에 각각 연결되고, 콘덴서 방식이라면 전지셀(11)의 양 출력단에 콘덴서가 설치된다. 또는 DC/DC 컨버터방식이라면, 전지셀(11)의 양 출력단에 DC/DC 컨버터가 각각 연결된다. 여기서 상기 스위칭부(20)는 상기와 같은 저항, 제너다이오드, 콘덴서, DC/DC컨버터와 같은 밸런싱소자(31)와 전지셀(11) 사이의 패턴(32)에 설치되어 상기 충방전제어부(40)의 제어에 의하여 온 오프 된다.

상기 셀밸런싱부(30)는 도 3 내지 도 5b에 도시된 방열수단(50)에 의하여 과열되지 않는다. 상기 방열수단(50)은 상기 전지셀(11)의 양극과 음극에서 연장되는 패턴(32)되는 패턴(32)에 밸런싱소자(31))를 사이에 두고 상기 패턴(32)에 설치되어 상기 밸런싱소자(31)에서 발열된 열을 방열시킨다.

상기 밸런싱소자(31)는 상술한 바와 같이, 저항, 제너다이오드와 콘덴서 및 DC/DC컨버터중 어느 하나가 적용될 수 있다.

상기 방열수단의 제1실시예는 도 3, 제2실시예는 도 4, 제3실시예는 도 5a와 도 5b를 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치에서 방열수단의 제1실시예를 도시한 평면도이다.

도 3을 참조하면, 상기 방열수단(50)의 제1실시예는 상기 밸런싱소자(31)에 연장되는 패턴(32)에 다 수개의 형성되는 비아홀이 형성되는 비아패턴(51)을 포함한다.

상기 밸런싱소자(31)는 저항, 콘덴서, 제너다이오드, DC/DC컨버터중 선택된 어느 하나이다.

상기 비아패턴(51)은 상기 스위칭부(20)에서 밸런싱소자(31)로 연장되는 패턴(32) 보다 넓을 폭을 갖도로 폭방향으로 연장되어 기판(33)까지 연통되는 다 수개의 비아홀(511)을 형성한다. 상기 비아홀(511)은 상기 밸런싱소자(31)에서 발생된 열이 상기 비아패턴(51)으로 전달되면, 주변 공기중으로 열을 방열시켜 주변온도를 낮춘다. 여기서 상기 비아패턴(51)은 상기 패턴(32)과 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다.

예를 들면, 바이패스 방식이 적용된 셀밸런싱부(30)는 저항의 앞뒤에서 연장된 패턴(32)에 상기 비아패턴(51)이 형성되어 상기 저항에서 발열된 열을 방열시킨다. 마찬가지로, 상기 셀밸런싱부(30)가 제너다이오드 방식이 적용되었다면 상기 제너다이오드의 앞뒤에서 상기 전지셀(11)에 연장되는 패턴(32)에 확장패턴(53)이 형성된다. 또는 상기 DC/DC컨버터와 콘덴서 방식이 적용되었다면 상기 비아패턴(51)은 상기 DC/DC컨버터와 콘덴서의 앞뒤에서 연장되는 패턴(32)에 형성된다.

도 4는 본 발명에 따른 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치에서 제2실시예를 도시한 측면도이다.

도 4를 참조하면, 상기 셀밸런싱부(30)의 제2실시예는 기판(33)의 일면에서 전도성 금속으로 연장되는 패턴(32) 사이에 실장되는 밸런싱소자(31)와, 상기 밸런싱소자(31)의 앞 뒤쪽 패턴(32)에서 실장되는 공간판(52)을 포함한다.

상기 밸런싱소자(31)는 저항, 제너다이오드, 콘덴서, DC/DC컨버터중 선택된 어느 하나에 해당된다.

상기 공간판(52)은 내측이 빈공간으로 이루어진(예를 들면, 박스형상) 열전도성 금속으로서 상기 패턴(32)의 상면에 실장된다. 상기 공간판(52)은 상기 패턴(32)을 통하여 전달된 전원을 통전시킴과 동시에 상기 패턴(32)을 통하여 전달된 열을 공기중으로 방열시킨다. 더욱 바람직하게로는 상기 공간판(52)은 내측에서 빈공간(521)을 이루고 일측면이 개방되어 주변공기와의 접촉면적을 넓혀서 공기중으로 열을 방열시킨다.

도 5a는 본 발명에 따른 방열가능한 이차전지모듈(10)의 셀밸런싱 장치에서 제3실시예를 도시한 평면도, 도 5b는 측면도이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 셀밸런싱부(30)의 제3실시예는 스위칭부(20)와 충방전제어부(40) 사이로 연장되는 패턴(32)사이에 실장되는 밸런싱소자(31)와, 상기 밸런싱소자(31)의 앞뒤에서 상기 전지셀(11)에서 연장된 패턴(32)에 설치되는 확장패턴(53)을 포함한다.

상기 밸런싱소자(31)는 저항, 제너다이오드, 콘덴서, DC/DC 컨버터중 선택된 어느 하나이다.

상기 확장패턴(53)은 상기 전지셀(11)에서 연장되거나 또는 상기 밸런싱소자(31)에 연결되는 패턴(32)보다 넓은 폭을 갖도록 형성되는 패턴(32)으로서 열전도 및 전기전도가 모두 가능한 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 확장패턴(53)은 상기 기판(33)의 일면에서 형성되는 패턴(32)의 상면에 실장(도 5b참조) 되거나 또는 패턴(32)과 일체형(도 5a 참조)으로 이루어지되 폭방향으로 연장되도록 형성된다. 더욱 바람직하게로는 상기 확장패턴(53)은 상기 패턴(32)의 두께보다 더 두껍게 형성되는 알루미늄, 구리, 마그네슘, 은과 같은 열 및 전기 전도성을 갖는 금속체로 이루어지는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 구성을 포함하며, 이하에서는 본 발명에 따른 작용을 설명한다. 후술되는 작용설명은 바이패스 방식을 이용한 셀밸런싱부(30)가 적용된 제1실시예를 예를 들어 설명한다.

먼저, 상기 비엠에스(60)(BMS)는 외부전원이 인가되어 상기 이차전지모듈(10)에 전원이 충전되면, 상기 충방전제어부(40)를 구동시켜 셀밸런싱신호를 인가한다. 따라서 상기 충방전제어부(40)는 상기 비엠에스(60)(BMS)의 제어신호에 따라서 상기 스위칭부(20)를 구동시켜 이차전지모듈(10)을 구성하는 각각의 전지셀(11)의 충전전압의 셀밸런싱을 수행한다.

따라서 상기 충방전제어부(40)는 상기 스위칭소자(34)를 온 시켜 상기 스위칭부(20)의 출력측에 연결되는 패턴(32)에 전원을 통전시킨다. 만약, 해당 전지셀(11)이 타 전지셀(11)보다 과충전되었다면, 상기 전지셀(11)에서 출력된 전원은 상기 저항을 통과하면서 소모된다.

이때 상기 저항은 전지셀(11)에서 출력된 전원(전류)가 소모되면서 발열되고, 상기 저항으로부터 발열된 열은 연결된 패턴(32)을 통하여 상기 비아패턴(51)으로 전도된다. 그러므로 상기 비아패턴(51)에 전달된 열은 상기 비아홀(511)을 통하여 주변 공기중으로 방열되어 주변온도가 상승되지 않도록 억제시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명은 상기 확장패턴(53)을 통하여 밸런싱소자(31)에서 발열된 열을 방열시킬 수 있어 종래와 같이 고온에 의하여 밸런싱소자(31) 및 주변의 소자(예를 들면, 충방전제어부(40) 또는 비엠에스(60)(BMS)에 설치되는 아날로그 소자, 스위칭부(20)에 설치되는 릴레이)가 고열에 의해 손상되거나 또는 수명이 단축되는 문제점을 해결할 수 있었다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 이차전지모듈 11 : 전지셀
20 : 스위칭부 30 : 셀밸런싱부
31 : 밸런싱소자 32 : 패턴
33 : 기판 34 : 스위칭소자
40 : 충방전제어부 50 : 방열수단
51 : 비아패턴 52 : 공간판
53 : 확장패턴 60 : 비엠에스

Claims (7)

1. 하나 이상의 전지셀이 전기적으로 연결되는 이차전지모듈; 및
   상기 이차전지모듈에서 구성된 각 전지셀간 밸런싱을 수행하는 셀밸런싱부를 포함하고,
   상기 셀밸런싱부는
   기판의 일면에서 상기 전지셀에서 출력된 전원을 통전시키는 패턴;
   상기 패턴과 통전가능하도록 연결된 밸런싱소자; 및
   상기 밸런싱 소자에 연결된 패턴에 설치되어 상기 밸런싱소자에서 발열된 열을 방열시키는 방열수단을 포함하고,
   상기 방열수단은
   전원의 통전 및 방열이 모두 가능한 방열가능하도록 다수개의 비아홀이 형성되고, 상기 밸런싱소자에 연결되는 상기 패턴에서 폭 방향으로 확장된 일체형의 비아패턴을 포함하는 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 방열수단은
   내부가 빈공간으로 이루어지고, 일측면이 개방되어 상기 패턴에 실장되는 공간판을 포함하는 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 방열수단은
   상기 패턴에 비하여 넓은 폭을 갖도록 형성되어 상기 패턴의 상면에 실장되되는 확장패턴인 것을 특징으로 하는 방열가능한 이차전지모듈의 셀밸런싱 장치.
   

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