KR102057231B1 - 배터리 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

이차전지와 전압 센싱 모듈의 전기적 연결 부위가 진동이나 충격에 강하고 이차전지와 전압 센싱 모듈을 전기적으로 연결하는 조립 과정을 간소화할 수 있는 배터리 모듈 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전극 리드를 구비하는 복수의 이차전지; 및 상기 이차전지의 전압을 센싱하기 위하여 상기 전극 리드와 전기적으로 연결되는 PCB를 포함하는 전압 센싱 모듈을 포함하고, 상기 전극 리드와 PCB를 전기적으로 연결하는 데에 전도성 러버를 이용한다.

Description

배터리 모듈 및 그 제조방법{Battery module and fabricating method thereof}

본 발명은 배터리 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 이차전지에 대한 전압 센싱 구조가 적용된 배터리 모듈, 그 제조방법, 그리고 이러한 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.

근래에 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 상용화된 이차전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차전지는 니켈 계열의 이차전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

이러한 리튬 이차전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.

일반적으로 리튬 이차전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차전지로 분류될 수 있다.

최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차전지가 널리 이용되고 있다. 특히, 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차의 수요가 증가하고 있다. 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 있어서 가장 핵심적 부품은 차량 모터로 구동력을 부여하는 배터리 팩이다. 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리 팩의 충방전을 통해 차량의 구동력을 얻을 수 있기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 사용자들이 늘어나고 있는 실정이다. 그리고, 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리 팩에는 다수의 이차전지가 포함되며, 이러한 다수의 이차전지들은 서로 직렬 및 병렬로 연결됨으로써 용량 및 출력을 향상시킨다.

한편, 배터리 팩에는 이차전지 이외에 BMS(Battery Management System)와 같은 다양한 배터리 팩 보호 장치가 포함되어 있다. 이러한 보호 장치들은, 배터리 팩의 충방전을 관리하고 안전성을 확보하는 등 여러 역할을 수행할 수 있고, 그 역할을 수행하는 데에 고려하는 인자 중 대표적인 것이 각 이차전지의 전압이라 할 수 있다. 예를 들어, 특정 보호 장치는 각 이차전지의 양단 전압값을 통해 해당 이차전지의 과충전 내지 과방전을 방지할 수 있고, 이차전지간 충전 상태 편차를 줄이는 밸런싱 기능을 수행할 수도 있다.

이처럼, 배터리 팩에 포함된 보호 장치의 특정 기능을 수행하는 데 있어서, 배터리 팩에 포함된 각 이차전지의 전압을 센싱하는 것은 매우 중요하고 필수적이라 할 수 있기 때문에, 종래의 배터리 팩에는 이러한 이차전지의 전압을 검출하기 위한 전압 센싱 구조가 대부분 적용되어 있다. 대표적인 전압 센싱 구조로는 와이어(wire) 방식과 용접 방식이 있다.

와이어 방식은 이차전지의 전극부와 전압 센싱 모듈의 PCB(Printed Circuit Board)를 센싱 와이어와 클립(clip)으로 연결하는 것이다. 이러한 와이어 방식은 조립성이 우수하나, 와이어 부품이 추가되어 제품 단가가 상승된다. 또한 이차전지 적층체의 상단 및 하단부와 체결되는 전압 센싱 모듈이 와이어로 연결되어 있어 이차전지 적층체가 길이 방향으로 길어지며, 이로 인해 단가가 상승된다.

용접 방식은 이차전지의 전극부와 전압 센싱 모듈의 PCB를 버스바의 용접으로 연결하는 것이다. 이러한 용접 방식은 와이어 부품의 삭제로 제품 비용 절감 효과를 가져오나 용접비와 용접에 따른 공수가 추가된다. 그리고, 용접부는 진동이나 충격에 의해 연결이 해제될 수 있는 위험성을 가지고 있다. 이에 따라, 배터리 모듈의 조립 과정이나 외력(충격 상황 등) 작용시 용접부가 파손될 수 있고, 진동이 많은 장치, 이를테면 자동차 등의 배터리 팩에 적용되는 경우, 고장이 자주 발생하는 등의 문제가 있다. 또한, 배터리 팩 불량시 분리나 교체가 어렵다는 문제도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이차전지와 전압 센싱 모듈의 전기적 연결 부위가 진동이나 충격에 강하고 이차전지와 전압 센싱 모듈을 전기적으로 연결하는 조립 과정을 간소화할 수 있는 배터리 모듈 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전극 리드를 구비하는 복수의 이차전지; 및 상기 이차전지의 전압을 센싱하기 위하여 상기 전극 리드와 전기적으로 연결되는 PCB를 포함하는 전압 센싱 모듈을 포함하고, 상기 전극 리드와 PCB를 전기적으로 연결하는 데에 전도성 러버를 이용한다.

상기 전도성 러버는 압축되어 있는 것이 바람직하다.

바람직한 실시예에서, 상기 PCB에 상기 전도성 러버로 이루어진 전압 센싱 단자를 표면실장하고 상기 전압 센싱 단자가 상기 전극 리드에 접촉되어 전압을 센싱한다. 상기 전도성 러버는 상기 PCB 상에 접착제를 통해 고정적으로 장착되는 것일 수 있다. 다른 예로 상기 전도성 러버는 상기 PCB 상에 전도성 러버 조성물을 직접 코팅하여 형성되어 있는 것일 수 있다.

그리고, 상기 전압 센싱 모듈은 상기 전극 리드와 PCB 사이에 센싱 프론트 커버(front cover)를 포함하고 상기 PCB 외측으로 센싱 리어 커버(rear cover)를 더 포함할 수 있다. 상기 센싱 프론트 커버와 센싱 리어 커버가 상기 전극 리드와 상기 전압 센싱 단자를 눌러 상기 전압 센싱 단자를 압축함으로써 상기 전극 리드와 상기 전압 센싱 단자의 접촉을 유지하도록 할 수 있다.

상기 전압 센싱 단자의 압축량은 상기 전압 센싱 단자를 구성하는 전도성 러버의 경도 및 압축율과 충격이나 진동 인가시 상기 PCB와 전극 리드 간의 최대 유격 거리를 미리 판별하여 선정한 것임이 바람직하다. 이는 특정 모델의 이차전지에 대해 소정 조건 하에서 반복하는 사전 실험 결과를 종합해 산출해낼 수 있다.

상기 전압 센싱 모듈은 상기 PCB와 연결되어 상기 이차전지의 전압을 센싱하는 외부 디바이스가 접속되는 커넥터 단자를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 모듈은 상기 전극 리드와 전기적으로 연결되는 외부 단자를 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 전극 리드와 상기 외부 단자를 연결하는 터미널 버스바를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 모듈은 하나 이상 조합되어 배터리 팩으로 제조될 수 있다. 이러한 배터리 팩은 자동차 등에 적용될 수 있다.

본 발명에서는 위와 같은 배터리 모듈 제조방법도 제공한다. 이 방법은 전극 리드를 구비하는 복수의 이차전지를 준비하는 단계; 상기 이차전지의 전압을 센싱하기 위하여 PCB를 포함하는 전압 센싱 모듈을 준비하는 단계; 및 전도성 러버를 이용하여 상기 전극 리드와 PCB를 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 전도성 러버가 탄성 변형하여 이차전지의 전극 리드와 잘 밀착될 수 있게 된다. 이차전지에 진동이나 충격이 가해져도 전도성 러버가 변형되면서 그 에너지를 흡수하며 전기적 연결 관계는 잘 유지가 된다. 이에 따라, 이차전지와 전압 센싱 모듈의 전기적 연결 부위가 진동이나 충격에 강해진다.

본 발명에 따르면, 기존의 센싱 기술들 대비 공수(용접)가 줄어듦은 물론, 제조 비용면에서도 절감 효과를 가져와 제조 생산성을 크게 향상시킨다. 또한, 전도성 러버는 다른 탄성 구조(예를 들어 스프링)에 비하여 저렴하므로 제조 원가를 줄일 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 모듈은 용접 등의 공수 및 부품 수를 줄여 제조 비용을 절감시킬 뿐만 아니라, 진동 및 충격에 대한 문제점을 구조적으로 개선하므로, 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있다.

특히 본 발명의 일 구성에 따르면, 전도성 러버를 PCB에 표면실장하여 단순히 이차전지 적층체에 이를 적층하여 체결하는 방법을 통해 간단히 이차전지의 전극 리드와 PCB가 전기적으로 연결된다. 이차전지의 전압을 센싱하기 위한 전압 센싱 모듈 구조나 모듈, 팩 구조가 종래에 비하여 간소화되며, 전압 센싱 모듈을 이차전지에 연결시키는 조립 공정이 보다 용이하게 수행될 수 있고, 제조에 필요한 비용과 시간을 절감할 수 있다.

뿐만 아니라, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 경우 이차전지의 전극 리드와 PCB간 전기적 연결이 전도성 러버로 이루어지므로 전도성 러버의 탄성 변형을 제거하는 간단한 과정을 통해 이차전지의 전극 리드와 PCB간 전기적 연결을 해제할 수 있다. 따라서, 배터리 팩의 불량과 같은 상황에서 이차전지의 전극 리드와 PCB간 전기적 연결을 손쉽게 해제할 수 있다. 이와 같이, 배터리 팩 불량시 분리나 교체도 조립 과정만큼 수월해 빠르게 문제 해결할 수 있는 장점도 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈의 완성 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ' 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 배터리 모듈에서 좌측에 위치하는 센싱 모듈의 PCB 상면도와 저면도를 도시한다.
도 5는 도 1에 도시된 배터리 모듈에서 우측에 위치하는 센싱 모듈의 PCB 상면도와 저면도를 도시한다.
도 6과 도 7은 도 3에서 a나 b 부분에 대응되는 부분의 개략적인 단면도로서, 도 6은 센싱 리어 커버 체결 전의 상태를 나타내고, 도 7은 센싱 리어 커버 체결 후의 상태를 나타낸다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 나타내는 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈의 완성 사시도이다. 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ' 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 복수의 이차전지(11), 이러한 이차전지(11)를 수용하는 복수의 카트리지(12) 및 이들에 결합되는 한 쌍의 전압 센싱 모듈(20)을 구비한다.

상기 이차전지(11)로는 전극 조립체 및 이를 수용하는 파우치 케이스를 포함하는 파우치형 이차전지가 이용될 수 있다. 본 실시예의 이차전지(11)들은 서로 다른 극성의 전극 리드(11a)가 서로 반대 방향으로 나와 있는 양방향 전지이다.

상기 카트리지(12)는 한 쌍의 전극 리드(11a)를 구비하는 적어도 하나의 이차전지(11)를 수용한다. 상기 카트리지(12)는 전극 리드(11a)가 외부로 인출되도록 이차전지(11)를 수용한다. 이러한 카트리지(12)는 이차전지(11)를 홀딩하여 그 유동을 방지하고, 상호 적층 가능하도록 구성되어 이차전지(11)의 조립을 가이드할 수 있다. 이러한 카트리지(12)는 적층용 프레임, 몰딩 케이스 등 다른 다양한 용어로 대체될 수 있으며, 대체로 중앙 부분이 비어 있는 사각 링 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 카트리지(12)의 네 모서리는 이차전지(11)의 외주부에 위치할 수 있다.

상기 카트리지(12)는 장 볼트 형상의 고정부재(13)가 삽입되어 결합될 수 있도록 관통구(12a)를 구비한다. 상기 관통구(12a)는 센싱 프론트 커버(15), 전압 센싱 모듈(20) 및 센싱 리어 커버(30)가 카트리지(12)에 결합될 수 있도록 한다. 이러한 관통구(12a)는 전극 리드(11a)가 인출되는 방향, 즉 카트리지(12)의 길이 방향 양측에 구비될 수 있다.

상기 카트리지(12) 내에 수용되는 이차전지(11)가 복수개인 경우, 이차전지(11)간은 각 이차전지(11)에 구비된 전극 리드(11a)끼리의 결합을 통해 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합된 방식으로 연결될 수 있다. 또한, 복수의 카트리지(12) 중 서로 인접한 카트리지(12) 사이 역시 이차전지(11)에 구비된 전극 리드(11a)를 통해 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼합된 방식으로 연결됨으로써 배터리 모듈(100)의 용량을 늘리거나, 출력 전압을 늘릴 수 있다. 본 실시예에서는 카트리지(12) 하나가 두 개의 이차전지(11)를 수용하고 이러한 카트리지(12)가 두 개 포함되는 배터리 모듈(100)을 예로 들어 설명한다.

도시한 바와 같이 이차전지(11)들을 나란히 적층하였을 때에 음극 리드와 양극 리드가 교대로 배치될 수 있도록 구성한다. 여기서, 각각의 전극 리드(11a)는 플레이트 형태로 구성되어 파우치 케이스 외부로 돌출된다. 이후 전극 리드(11a)들간의 전기적 연결을 위해 절곡되어 절곡부를 가질 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 전극 리드(11a)는 이차전지(11)에서 돌출되되, 단부가 좌측 또는 우측으로 꺾어진 형태로 절곡되어 평평한 수직 접촉면을 제공한다. 이웃하는 이차전지(11)끼리 서로 다른 극성의 전극 리드 절곡부가 겹쳐질 수 있도록 전극 리드(11a)는 서로 다른 방향으로 절곡될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 실시예에서, 배터리 모듈(100)의 좌측에 위치하는 전극 리드(11a)들은 각 절곡부가 서로 겹쳐진 부분이 두 개 형성되도록 두 개씩, 두 개씩 연결될 수 있고, 배터리 모듈(100)의 우측에 위치하는 전극 리드(11a)들은 각 절곡부가 서로 겹쳐진 부분이 가운데 하나만 형성되도록 최외곽 전극 리드(11a)들은 절곡되지 않을 수 있다. 이러한 예는 직렬로 연결된 구조에 관한 것이다. 그러나, 이러한 예시적인 연결 구조로 본 발명이 제한되는 것이 아님은 물론이다.

상기 전압 센싱 모듈(20)은, 전극 리드(11a)에 연결되어 각 이차전지(11)의 전압을 개별적으로 측정할 수 있도록 하는 것으로서, 전압 센싱 단자(21), PCB(22), 커넥터 단자(도 4에 도시함) 및 터미널 버스바(24)를 포함할 수 있고, 본 실시예에서와 같이 또한, 카트리지(12)에 결합되는 센싱 프론트 커버(15) 및 센싱 리어 커버(30)를 더 포함할 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 배터리 모듈에서 좌측에 위치하는 센싱 모듈의 PCB 상면도와 저면도를 도시한다. 도 5는 도 1에 도시된 배터리 모듈에서 우측에 위치하는 센싱 모듈의 PCB 상면도와 저면도를 도시한다.

먼저 도 4를 참조하면, 본 실시예에서 좌측에 위치하는 전압 센싱 모듈(20)은 PCB(22) 상면(센싱 리어 커버(30)를 향하는 쪽)에 커넥터 단자(23)를 포함하고 PCB(22) 저면(또는 하면, 센싱 프론트 커버(15)를 향하는 쪽)에 전압 센싱 단자(21)가 표면실장되어 있다.

다음, 도 5를 참조하면, 본 실시예에서 우측에 위치하는 전압 센싱 모듈(20)은 PCB(22) 상면(센싱 리어 커버(30)를 향하는 쪽)에 터미널 버스바(24)가 연결되어 있고 PCB(22) 저면(또는 하면, 센싱 프론트 커버(15)를 향하는 쪽)에 전압 센싱 단자(21)가 표면실장되어 있다. 터미널 버스바(24)가 결합되기 위해, PCB(22)에는 홀(hole)이 형성될 수 있고, 이러한 PCB(22)의 홀에 터미널 버스바(24)의 단부가 삽입됨으로써 PCB(22)와 터미널 버스바(24)의 결합이 이루어질 수 있다

상기 전압 센싱 단자(21)는 카트리지(12)와 전압 센싱 모듈(20)이 결합될 때 전극 리드(11a)와 접촉되어 전압을 센싱하는 것으로서, 전압 센싱 모듈(20)이 카트리지(12)에 결합될 때 전극 리드(11a)를 탄성 가압하는 방식으로 전극 리드(11a)와 접촉할 수 있다. 전압 센싱 단자(21)는 PCB(22)에서 전극 리드(11a)에 대응되는 위치에 형성이 되어 있어야 한다.

이러한 전압 센싱 단자(21)는 전도성 러버로 이루어진다. 전도성 러버는 PCB(22) 상에 접착제를 통해 고정적으로 장착되는 것일 수 있다. 다른 예로 상기 전도성 러버는 상기 PCB 상에 전도성 러버 조성물을 직접 코팅하여 형성되어 있는 것일 수 있다. 또 다른 예로 납땜 등에 의해 장착이 되어 있는 것일 수 있다.

전도성 러버는 합성 고무에 전도성 물질이 함유되어 있는 것으로서, 전기 전도성이 우수하며 탄성을 가진다. 합성 고무는 스티렌부타디엔고무(Styrene Butadien Rubber), 폴리클로로프렌고무(Polychloroprene Rubber), 니트릴고무(Acrylonitrile-Butadiene Rubber), 부틸고무(Isoprene-isobutylene Rubber), 부타디엔고무(Butadiene Rubber), 이소프렌고무(Isoprene Rubber), 에틸렌프로필렌고무(Ethylene Propylene Rubber), 다황화물계 고무(Polysulfide Rubber) 등을 이용할 수 있다. 앞에서 예시한 합성고무 이외의 합성고무를 사용할 수도 있다. 전도성 물질은 금속 분말, 탄소 분말, 탄소나노튜브 등일 수 있다. 예를 들어, 금, 은, 동, 니켈, 철 및 은코팅 구리 분말, 은코팅 니켈 분말 및 은코팅 철 분말 등을 사용할 수 있다.

상기 PCB(22)는 복수의 전극 리드(11a)가 독립적으로 커넥터 단자(23)에 연결될 수 있도록 구성된 내부회로를 구비하는 것으로서, 예를 들어 이러한 내부 회로의 패턴이 인쇄된 인쇄 회로 기판이다.

상기 커넥터 단자(23)는 이차전지(11) 각각의 전압을 측정하는 측정 기기, 즉 외부 디바이스가 접속되는 단자에 해당하며, 센싱된 전압을 외부로 출력하기 위한 것이다. 따라서, PCB는 전압 센싱 단자(21)에 의해 센싱된 전압을 인쇄 회로 및 커넥터 단자(23)를 경유하여 외부의 다른 구성요소, 이를테면 BMS와 같은 보호 장치에 전달할 수 있다.

도 1을 좀 더 자세히 살펴보면, 상기 센싱 프론트 커버(15)는 카트리지(12)들 사이에 끼워질 수 있는 돌출부(15a), 전극 리드(11a)가 끼워질 수 있는 개구부(15b) 및 전극 리드(11a)를 지지하는 리브(15c)가 구비되어 있다. 이러한 센싱 프론트 커버(15)는 전극 리드(11a) 받침 몰드로 이용된다.

배터리 모듈(100) 제조 방법에 대하여 설명하자면, 카트리지(12) 관통구(12a)들 사이의 연통을 방해하지 않도록 그들 사이에 돌출부(15a)를 끼우고 전극 리드(11a)를 개구부(15b)에 끼우면서 리브(15c)로 지지하는 방식으로, 이차전지(11)들이 카트리지(12)에 의해 적층되어 있는 구조체 양단에 센싱 프론트 커버(15)를 체결한다(1 단계).

다음 전압 센싱 모듈(20)의 전압 센싱 단자(21)가 이차전지(11)의 전극 리드(11a)와 접촉될 수 있게 이차전지(11)들이 카트리지(12)에 의해 적층되어 있는 구조체 양단에 센싱 프론트 커버(15) 위로 PCB(22)를 적층한다(2 단계).

상기 센싱 리어 커버(30)는, 카트리지(12)에 체결되는 것으로서, 도 1에 도시된 배터리 모듈(100)에서 좌측에 위치하는 센싱 리어 커버(30)는 카트리지(12)의 관통구(12a)와 연통되는 관통구(30a) 및 PCB(22)를 위치 고정하는 리브(30b)를 구비하고, 도 1에 도시된 배터리 모듈에서 우측에 위치하는 센싱 리어 커버(30)는 카트리지(12)들 사이에 끼워질 수 있는 돌출부(30c)와 터미널 버스바(24)와 연결하기 위한 외부단자(33)를 구비한다. 도면에 보이지는 않지만 도 1에 도시된 배터리 모듈에서 우측에 위치하는 센싱 리어 커버(30)에도 PCB(22)를 위치 고정하는 리브(30b)가 형성되어 있을 수 있다.

PCB(22) 다음에는 센싱 리어 커버(30)를 적층하면서 관통구(30a)나 돌출부(30c)를 카트리지(12)들 관통구(12a) 사이에 끼우고 장 볼트 형상의 고정부재(13)를 관통구(12a)에 삽입해 체결한다. 이로써 전압 센싱 모듈(20)과 이차전지(11)간의 전기적 연결이 완료된다(3 단계).

상기 지지 리브(30b)는, 전극 리드(11a)를 사이에 두고 전압 센싱 단자(21)와 반대편에 위치하여 전극 리드(11a)를 지지하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 상기 지지 리브(30b)는, 전압 센싱 단자(21)와 전극 리드(11a)를 탄성 가압할 수 있도록 하면서 전압 센싱 단자(21)와 전극 리드(11a) 접촉 상태를 지지하는 역할을 할 수 있는 것이다. 이와 같이 센싱 리어 커버(30)는 전도성 러버 접촉 유지 몰드로서 기능을 한다.

상기 외부 단자(33)는, 이차전지(11)와 이러한 이차전지(11)로부터 전력을 공급받아 동작하는 외부 디바이스 사이의 전기적 연결 통로의 기능을 수행하는 것으로서, 이차전지(11)의 전극 리드(11a)와 전기적으로 연결되며, 배터리 모듈(100)의 외측으로 돌출된다.

터미널 버스바(24)는, 이차전지(11)에 구비된 전극 리드(11a)와 외부 단자(40) 사이를 연결한다.

이처럼, 상기 배터리 모듈(100)은 외부 단자(33) 및 터미널 버스바(24)를 포함함으로써 복수의 이차전지(11)에 외부 디바이스가 전기적으로 연결될 수 있는 구조를 갖게 된다.

센싱 프론트 커버(15)와 센싱 리어 커버(30)는 전극 리드(11a), 전압 센싱 단자(21), PCB(22)간 접촉 상태에서 진동으로 인해 연결 관계가 해제되는 것을 방지할 수 있다. 예컨대 합성수지와 같은 부도체로 이루어져 있을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 총 3 단계의 단순 적층과 체결에 의하여 전극 리드(11a), 전압 센싱 단자(21), PCB(22)간 전기적 연결 구조가 완성이 되며 기타 불필요한 구조나 번잡한 공정이 전혀 필요없다. 따라서, 이차전지와 전압 센싱 모듈을 전기적으로 연결하는 조립 과정을 간소화할 수 있다.

즉 본 발명에 따르면, 기존의 센싱 기술들 대비 공수(용접)가 줄어듦은 물론, 제조 비용 면에서도 절감효과를 가져와 제조 생산성을 크게 향상시킨다. 또한, 전도성 러버는 다른 탄성구조(예를 들어 스프링)에 비하여 저렴하므로 제조 원가를 줄일 수 있다.

전도성 러버로 이루어진 전압 센싱 단자(21)는 이차전지(11)의 전극 리드(11a) 부분에 전기적 연결되면서 탄성 변형하여 전극 리드(11a)와 잘 밀착될 수 있게 된다. 이에 따라, 이차전지(11)에 진동이 가해져도 전도성 러버가 변형되면서 충격을 흡수하며 전기적 연결 관계는 잘 유지가 된다. 따라서, 본 발명에 따른 이차전지 모듈(100)은 이차전지(11)와 전압 센싱 모듈(20)의 전기적 연결 부위가 진동이나 충격에 강해진다.

이와 같이, 본 발명에 따른 배터리 모듈(100)은 전극 리드(11a)와 PCB(22)를 전기적으로 연결하는 데에 전도성 러버를 이용한다. 전도성 러버는 전기 전도성의 탄성체이다. 이러한 탄성체는 압축되어 있을 수 있고 외부 압력이나 진동 인가시 이를 흡수하므로 이차전지(11) 및 이를 포함하는 배터리 모듈(100)의 진동 내구성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 배터리 모듈(100)은 PCB(22)에 전도성 러버로 이루어진 전압 센싱 단자(21)를 표면실장하고 전압 센싱 단자(21)가 전극 리드(11a)에 접촉되어 전압을 측정하도록 한다. 체결 구조 및 과정의 개선을 수반하므로 단순히 전기 전도성의 탄성체를 적용한 것에 그치지 않는다.

다음은, 도 6 및 도 7을 참조하여, 전극 리드(11a)와 전압 센싱 단자(21) 사이의 접촉 구조에 대해 더 상세히 살펴보기로 한다.

도 6과 도 7은 도 3에서 a나 b 부분에 대응되는 부분의 개략적인 단면도로서 도시 및 설명의 편의를 위하여 과장되고 단순하게 나타내었다.

먼저 도 6은 제조 방법 중 1 단계와 2 단계까지만 진행한 상태, 즉 센싱 리어 커버(30) 체결 전의 상태를 나타낸다.

다음 도 7은 제조 방법 중 3 단계까지 진행한 상태, 즉 센싱 리어 커버(30) 체결 후의 상태를 나타낸다.

전압 센싱 단자(21)는 센싱 프론트 커버(15)와 센싱 리어 커버(30)와 결합이 되면서 전극 리드(11a)와 전압 센싱 단자(21)를 눌러 전압 센싱 단자(21)를 압축함으로써 탄성 변형 상태의 전압 센싱 단자(21)가 된다. 이에 따라 전극 리드(11a)와 전압 센싱 단자(21)의 접촉을 유지하도록 할 수 있다.

즉, 전압 센싱 단자(21)와 전극 리드(11a) 사이는 탄성 가압에 의해 밀착되며 접촉 상태가 긴밀히 유지된다. 이차전지(11)에 진동이 가해져도 전압 센싱 단자(21)를 이루는 전도성 러버가 변형되면서 충격을 흡수할 수 있으므로 전기적 연결 관계는 잘 유지가 된다. 이에 따라, 이차전지(11)와 전압 센싱 모듈(20)의 전기적 연결 부위가 진동이나 충격에 강해진다. 그리고, 이러한 탄성 가압에 따른 접촉은, 앞서 설명한 바와 같이, 전압 센싱 모듈(20)을 카트리지(12)에 체결할 때에 이루어지는 것이다.

도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명에서는 PCB(22) 조립 후 센싱 리어 커버(30)를 통해 전도성 러버로 이루어진 전압 센싱 단자(21) 접촉 불량을 방지할 수 있다. 전압 센싱 단자(21)가 형성된 PCB(22) 조립 후에는 전도성 러버의 적절한 압축량이 필요하다. 왜냐하면 진동 충격이 가해지더라도 전극 리드(11a)와 전압 센싱 단자(21)의 접촉 유지를 위해서이다. 예를 들어 차량 주행 중 충격 진동과 같은 이슈 발생 시의 떨어짐을 방지하기 위해서이다. 전도성 러버의 압축량은 이 도면들에서 d-d'로 주어진다. 전압 센싱 단자(21)를 구성하는 전도성 러버의 특성(경도, 압축율)과 차량 주행 중 충격, 진동 등 이슈 발생 시 PCB(22)와 전극 리드(11a) 간의 최대 유격 거리를 미리 판별하여 압축량을 선정하도록 한다.

사용할 전도성 러버의 경도와 압축율, 그리고 일반적인 속도의 차량 주행 중 발생될 수 있는 노면 불균일성, 추돌 가능성, 제조나 사용 중 낙하되는 경우 등 소정 조건을 고려한 사전 반복 실험(시뮬레이션 포함)을 통해 충격이나 진동 인가시 PCB(22)와 전극 리드(11a) 간의 최대 유격 거리를 미리 판별할 수 있다. 압축량은 이 최대 유격 거리 이상으로 함이 바람직하다. 일반적인 고무의 경도와 압축율, 그리고 소정 조건 등과 공차를 고려하여도 이러한 압축량은 1mm를 넘지 않을 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은, 전압 센싱 모듈(20)을 카트리지(12)에 결합하면서 이러한 결합을 통해 전압 센싱 단자(21)와 전극 리드(11a) 사이의 접촉 및 전기적 연결 또한 동시에 이루어지도록 하는 구조를 가진다. 뿐만 아니라, 외부로부터 충격을 받더라도 전압 센싱 단자(21)와 전극 리드(11a) 사이의 결합이 안정적으로 유지될 수 있는 구조를 가진다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)의 구조를 채택함으로써 배터리 모듈 제조 공정 상의 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 제품의 품질 또한 향상시킬 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 경우 이차전지의 전극 리드와 PCB간 전기적 연결이 전도성 러버로 이루어지므로 전도성 러버의 탄성 변형을 제거하는 간단한 과정을 통해 이차전지의 전극 리드와 PCB간 전기적 연결을 해제할 수 있다. 따라서, 배터리 팩의 불량과 같은 상황에서 이차전지의 전극 리드와 PCB간 전기적 연결을 손쉽게 해제할 수 있다. 이와 같이, 배터리 팩 불량시 분리나 교체도 조립 과정만큼 수월해 빠르게 문제 해결할 수 있는 장점도 있다.

한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 배터리 모듈을 하나 이상 포함한다. 이 때, 배터리 팩에는 배터리 모듈 이외에, 이러한 배터리 모듈을 수납하기 위한 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS, 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 모듈 또는 배터리 팩은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 구조는 용접 등의 공수 및 부품 수를 줄여 제조 비용을 절감시킬 뿐만 아니라, 진동 및 충격에 대한 문제점을 구조적으로 개선하므로, 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등의 전원으로 바람직하게 사용될 수 있는 것이다.

이상과 같이, 본 발명이 해결하고자 하는 과제 및 장점들은 위 상세한 설명에 의해서 이해될 수 있을 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있을 것이다. 또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

11 : 이차전지 11a : 전극 리드
12 : 카트리지 12a, 30a : 관통구
13 : 고정부재 15 : 프론트 센싱 커버
15a, 30c : 돌출부 20 : 전압 센싱 모듈
21 : 전압 센싱 단자 22 : PCB
23 : 커넥터 단자 24 : 터미널 버스바
30 : 리어 센싱 커버 30b : 리브
33 : 외부단자 100: 배터리 모듈

Claims (16)

1. 전극 리드를 구비하는 복수의 이차전지;
   상기 전극 리드가 외부로 인출되도록 상기 이차전지를 수용하는 복수의 카트리지; 및
   상기 카트리지에서 상기 전극 리드가 인출되는 단부에 결합되는 전압 센싱 모듈을 구비하고,
   상기 카트리지는 상기 전극 리드가 인출되는 방향에 고정부재가 삽입되어 결합될 수 있도록 관통구를 구비하며,
   상기 전압 센싱 모듈은 상기 이차전지의 전압을 센싱하기 위하여 상기 전극 리드와 전기적으로 연결되는 PCB;
   상기 PCB에 표면 실장되고 전도성 러버(rubber)로 이루어진 전압 센싱 단자;
   상기 카트리지들 사이에 끼워질 수 있는 돌출부, 상기 전극 리드가 끼워질 수 있는 개구부 및 상기 전극 리드를 지지하는 리브가 구비된 센싱 프론트 커버; 및
   상기 카트리지의 관통구와 연통되는 관통구 및 상기 PCB를 위치 고정하는 리브가 구비된 센싱 리어 커버를 포함하고,
   상기 전극 리드와 상기 PCB 사이에 상기 센싱 프론트 커버가 설치되고 상기 PCB 외측으로 상기 센싱 리어 커버가 설치되어, 상기 카트리지의 관통구와 상기 센싱 리어 커버의 관통구에 상기 고정부재가 삽입되어 체결되며,
   상기 센싱 프론트 커버와 센싱 리어 커버가 상기 전극 리드와 상기 전압 센싱 단자를 눌러 상기 전압 센싱 단자를 압축함으로써 상기 전극 리드와 상기 전압 센싱 단자의 접촉을 유지하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 전도성 러버는 상기 PCB 상에 접착제를 통해 고정적으로 장착되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
5. 제1항에 있어서, 상기 전도성 러버는 상기 PCB 상에 전도성 러버 조성물을 직접 코팅하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 전압 센싱 모듈은 상기 PCB와 연결되어 상기 이차전지의 전압을 센싱하는 외부 디바이스가 접속되는 커넥터 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
9. 제1항에 있어서, 상기 전극 리드와 전기적으로 연결되는 외부 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
10. 제9항에 있어서, 상기 전극 리드와 상기 외부 단자를 연결하는 터미널 버스바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
11. 제1항에 있어서, 상기 전압 센싱 단자의 압축량은 상기 전압 센싱 단자를 구성하는 전도성 러버의 경도 및 압축율과 충격이나 진동 인가시 상기 PCB와 전극 리드 간의 최대 유격 거리를 미리 판별하여 선정한 것임을 특징으로 하는 배터리 모듈.
12. 전극 리드를 구비하는 복수의 이차전지를 준비하는 단계;
    상기 전극 리드가 외부로 인출되도록 상기 이차전지를 복수의 카트리지에 수용하는 단계; 및
    상기 카트리지에서 상기 전극 리드가 인출되는 단부에 결합되는 전압 센싱 모듈을 준비하는 단계를 포함하고,
    상기 카트리지는 상기 전극 리드가 인출되는 방향에 고정부재가 삽입되어 결합될 수 있도록 관통구를 구비하며,
    상기 전압 센싱 모듈은 상기 이차전지의 전압을 센싱하기 위하여 상기 전극 리드와 전기적으로 연결되는 PCB;
    상기 PCB에 표면 실장되고 전도성 러버(rubber)로 이루어진 전압 센싱 단자;
    상기 카트리지들 사이에 끼워질 수 있는 돌출부, 상기 전극 리드가 끼워질 수 있는 개구부 및 상기 전극 리드를 지지하는 리브가 구비된 센싱 프론트 커버; 및
    상기 카트리지의 관통구와 연통되는 관통구 및 상기 PCB를 위치 고정하는 리브가 구비된 센싱 리어 커버를 포함하도록 하여,
    상기 전극 리드와 상기 PCB 사이에 상기 센싱 프론트 커버를 설치하고 상기 PCB 외측으로 상기 센싱 리어 커버를 설치하여, 상기 카트리지의 관통구와 상기 센싱 리어 커버의 관통구에 상기 고정부재를 삽입하여 체결하고,
    상기 센싱 프론트 커버와 센싱 리어 커버가 상기 전극 리드와 상기 전압 센싱 단자를 눌러 상기 전압 센싱 단자를 압축함으로써 상기 전극 리드와 상기 전압 센싱 단자의 접촉을 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 제12항에 있어서, 상기 전압 센싱 단자의 압축량은 상기 전압 센싱 단자를 구성하는 전도성 러버의 경도 및 압축율과 충격이나 진동 인가시 상기 PCB와 전극 리드 간의 최대 유격 거리를 미리 판별하여 선정한 것임을 특징으로 하는 배터리 모듈 제조방법.

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