KR102424640B1 - 배터리 모듈 및 이의 조립 방법 - Google Patents

배터리 모듈 및 이의 조립 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리에 관한 것으로서, 더 상세하게는 배터리 셀간 병렬 연결시 부수적인 부품이 증가하지 않도록 어셈블리를 통한 부품 간소화 및/또는 양산 공정의 간소화를 실현하는 배터리 모듈 및 이의 조립 방법에 대한 것이다.

Description

배터리 모듈 및 이의 조립 방법{Battery module and Method for assembling the same}
본 발명은 배터리에 관한 것으로서, 더 상세하게는 배터리 셀간 직/병렬 연결시 부수적인 부품이 증가하지 않도록 어셈블리를 통한 부품 간소화 및/또는 양산 공정의 간소화를 실현하는 배터리 모듈 및 이의 조립 방법에 대한 것이다.
일반적으로, 이차 배터리(또는 전지)는 일차 배터리와는 달리 충전 및 방전이 가능하여 디지털 카메라, 휴대폰, 노트북, 하이브리드 차량 등과 같은 다양한 분야에 적용되며 활발한 연구가 진행중이다. 이차 배터리로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 배터리를 들 수 있다.
그리고 이차 배터리 중에서도 높은 에너지 밀도와 방전 전압을 가진 리튬 이차 배터리에 대해 많은 연구가 행해지고 있고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.
그리고 이차 배터리는 고출력 대용량의 필요성으로 인해 다수개의 배터리 셀을 적층시킨 후 전기적으로 병렬 또는 직렬로 연결하여 모듈 형태로 제작된다.
또한, 리튬 이차 배터리는 다양한 형태로 제조 가능한데, 대표적인 형상으로는 리튬이온 배터리에 주로 사용되는 원통형(cylinder type) 및 각형(prismatic type)을 들 수 있으며, 최근 들어 각광받는 리튬 폴리머 배터리는 유연성을 지닌 파우치형(pouched type)으로 제조되어서, 그 형상이 비교적 자유롭다.
이러한 이차 배터리는 고출력 대용량의 필요성으로 인해 다수개의 단위 셀을 적층시킨 배터리 모듈 또는 배터리 팩의 형태로 구성된다. 이와 같이 다수개의 단위 배터리 셀들이 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결되도록 구성되어야 하므로, 전지모듈의 구조가 복잡해지는 문제점이 있다.
또한, 배터리 셀등의 전극탭들의 연결을 볼팅, 용접(레이저, 초음파 등), 접촉 등을 통하여 수행한다. 이 경우, 배터리 셀간 직렬 연결시에는 큰 문제가 없으나 용량 증대를 위해 병렬연결이 필요할 경우 부수적인 부품이 증가한다는 문제점이 있다.
또한, 이러한 부수적인 부품의 증대뿐만 아니라 용접을 위한 사전 공정이 필요하다는 단점이 있다.
또한, 이러한 부수적인 부품의 증가로 인해 제조 공정이 복잡하고, 배터리 셀 단위 교체가 어려운 문제점이 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2012-0023263호 2. 한국공개특허번호 제10-2010-0096920호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 배터리 셀간 연결시 부품 간소화 및/또는 양산 공정의 간소화를 실현할 수 있는 배터리 모듈 및 이의 조립 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위한 것으로서, 배터리 셀간 연결시 부품 간소화 및/또는 양산 공정의 간소화를 실현할 수 있는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 배터리 모듈(100)은,
다수의 배터리 셀이 적층되는 셀 어레이(110);
상기 셀 어레이(110)가 내측에 조립되며 상기 다수의 배터리 셀에 설치되는 다수의 배터리 셀 리드(140)가 일측 외부로 돌출되게 노출홀(131)이 상기 일측에 형성되는 배터리 하우징(130); 및
상기 일측과 조립되며, 상기 다수의 배터리 셀 리드(140)와 접합되어 상기 다수의 배터리 셀을 연결하는 다수의 버스바(310)와, 상기 다수의 버스바(310)가 조립되는 커넥션 플레이트(320)를 갖는 커넥션 박스(120);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 다수의 버스바(310)와 상기 다수의 배터리 셀 리드(140)의 접합은 상기 다수의 배터리 셀 리드(140)가 밴딩된 후 용접을 통해 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 용접은 레이저 용접인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 버스바(310)는 직렬 구조 또는 병렬 구조로 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 버스바(310)의 말단에 전압 센싱을 위한 다수의 와이어(620)가 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연결은 초음파 융착 또는 와이어 압착에 의해 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 버스바(310)간의 연결은 용접을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 커넥션 박스(120)는 상기 다수의 배터리 셀 리드(140)와 상기 다수의 버스바(310)가 접합된후 상기 커넥션 플레이트(320)와 체결되는 커버(920-1,920-2,940);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 버스바(310)는 상기 접합을 수행할 때 간섭을 회피하도록 꺾임 구조(710)를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 다수의 배터리 셀이 적층되는 셀 어레이(110)를 준비하는 단계; 상기 셀 어레이(110)를 상기 다수의 배터리 셀에 설치되는 다수의 배터리 셀 리드(140)가 일측 외부로 돌출되게 노출홀(131)이 상기 일측에 형성되는 배터리 하우징(130)의 내측에 조립하는 단계; 상기 다수의 배터리 셀을 연결하는 다수의 버스바(310)가 조립되는 커넥션 플레이트(320)를 갖는 커넥션 박스(120)를 상기 일측과 조립하는 단계; 및 상기 다수의 배터리 셀 리드(140)와 다수의 버스바(310)를 접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 조립 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 어셈블리 방식을 이용하여 배터리 셀을 연결하게 됨으로써 부품 간소화가 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 용접 공정에서 사전 공정 및 후 공정이 함께 진행됨으로써 공정 길이의 축소가 가능하며, 비용 절감도 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈 하우징(130)에 커넥션 박스(120)가 조립되는 조립도이다.
도 2는 도 1에 도시된 조립후의 배터리 모듈(100)의 외관 사시도이다.
도 3은 도 2에서 배터리 모듈(100)을 I-I'축으로 절개한 단면도이다.
도 4는 도 3의 상태에서 카운터 바(340)를 이용하여 배터리 셀 리드(140)를 밴딩한 상태를 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 4의 상태에서 용접에 의해 버스바(310)와 배터리 셀 리드(140)가 접합된 상태를 보여주는 단면도이다.
도 6은 도 1에 도시된 커넥션 박스(120)의 내측 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일실시예로서 도 3에 도시되는 버스바(310)의 각도 적용을 보여주는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈에 커넥션 박스를 조립하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 9는 도 1에 도시된 커넥션 박스(120)의 세부 구조를 보여주는 사시도이다.
도 10은 도 9에 도시된 커넥션 박스(120)로서 버스바가 직렬 구조를 배치되는 것을 보여주는 도면이다.
도 11은 도 9에 도시된 커넥션 박스(120)로서 버스바가 2개의 병렬 구조를 배치되는 것을 보여주는 도면이다.
도 12는 도 9에 도시된 커넥션 박스(120)로서 버스바가 4개의 병렬 구조를 배치되는 것을 보여주는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈 및 이의 조립 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈 하우징(130)에 커넥션 박스(120)가 조립되는 조립도이고, 도 2는 도 1에 도시된 조립후의 배터리 모듈(100)의 외관 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 배터리 모듈(100)은, 다수의 배터리 셀(미도시)이 적층되는 셀 어레이(110), 셀 어레이(110)가 내측에 조립되며 상기 다수의 배터리 셀에 설치되는 다수의 배터리 셀 리드(140)가 일측 외부로 돌출되게 노출홀(131)이 상기 일측에 형성되는 배터리 하우징(130), 이 배터리 하우징(130)에 조립되는 커넥션 박스(120) 등을 포함하여 구성된다.
배터리 어레이(110)는 직렬 및/혹은 병렬로 연결되는 8 ~ 14 내의 배터리 셀로 구성되어 있다. 배터리 셀은 원통형 셀(cylindrical cell), 각형 셀(prismatic cell), 파우치형 셀 등으로 설계될 수 있다. 파우치형 셀들은 박막으로 구성된 유연한 커버를 포함하고, 상기 커버 내에는 배터리 셀의 전기적 구성 요소들이 배치되어 있다.
하나의 배터리 셀 내에서 최적의 공간 이용을 구현하기 위해서는 특히 파우치형 셀들이 사용된다. 상기 파우치형 셀들은 또한 높은 용량과 더불어 적은 중량을 특징으로 한다. 이러한 전술한 파우치형 셀들의 에지들은 조인트(sealing joint)(미도시)를 포함한다. 부연하면, 상기 조인트는 배터리 셀들의 2개의 박막을 연결하고, 상기 박막들은 그로 인해 형성된 공동부 내에 추가의 부품들을 포함한다.
일반적으로, 파우치형 셀들은 리튬 2차 배터리 또는 니켈-수소 배터리(Nickel-hydrogen battery)등과 같이, 전해질 용액(electrolytic solution)을 내포할 수도 있다.
또한, 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 전기 차량용 고전압 배터리가 될 수 있다.
일반적으로 고전압 배터리는 전기 차량을 움직이는 동력원으로 사용하는 배터리로서 100V 이상의 고전압을 말한다. 그러나, 이에 한정되지는 않으며, 저전압 배터리도 가능하다. 또한, 이들 다수의 배터리 셀에는 병렬 및/또는 직렬로 (+),(-)단자의 배터리 셀 리드(140)가 구성된다. 도 1에서는 배터리 셀이 파우치형 셀들로서 배터리 셀 리드(140)가 쌍으로 구성된다.
전기 차량의 예로서는 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 전기차(EV: Electric Vehicle), 저속 전기 자동차(NEV: Neighborhood Electric Vehicle), 연료 전지 자동차(FCV: Fuel-Cell Vehicle) 등을 들 수 있다.
도 1 및 도 2에서는 배터리 셀들이 병렬로 구성되는 구조를 도시하였으나, 이에 한정되지는 않으며 직렬 및/또는 병렬로 구성되는 것도 가능하다.
도 3은 도 2에서 배터리 모듈(100)을 I-I'축으로 절개한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 커넥션 박스(120)가 배터리 하우징(130)의 일측과 조립된후, 배터리 셀 리드(140)를 버스바(310)와 접합시키기 전에 밴딩을 위해 카운터 바(340)를 배터리 셀 리드(140) 상에 위치시킨다. 이 상태에서 하방향으로 카운터 바(340)에 힘을 가하면 배터리 셀 리드(140)가 밴딩된다.
도 4는 도 3의 상태에서 카운터 바(340)를 이용하여 배터리 셀 리드(140)를 밴딩한 상태를 보여주는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 카운터 바(340)에 의해 배터리 셀 리드(140)가 버스바(140)에 밀착되게 밴딩된다.
도 5는 도 4의 상태에서 용접에 의해 버스바(310)와 배터리 셀 리드(140)가 접합된 상태를 보여주는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 버스바(310)와 배터리 셀 리드(140)가 밀착되면 용접을 이용하여 버스바(310)와 배터리 셀 리드(140)간을 접합한다.
도 6은 도 1에 도시된 커넥션 박스(120)의 내측 사시도이다. 도 6을 참조하면, 버스바(310)의 말단에 전압 센싱을 위한 와이어(620)가 연결되며, 이들 와이어(620)는 전압 센싱 커넥터(610)에 연결된다. 이 전압 센싱 커넥터(610)는 외부 커넥터(610) 및/또는 장치(미도시)와 연결된다. 상기 연결은 초음파 융착 또는 와이어 압착에 의해 이루어질 수 있다. 버스바의 말단에 와이어를 연결함으로써 부품 단순화를 지향할 수 있다.
버스바(310)는 커넥션 플레이트(320)에 배치된다. 이 커넥션 플레이트(320)는 사출 성형되는 것을 특징으로 할 수 있다. 버스바(310)간 연결부(630)는 용접을 통하여 이루어질 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 일실시예로서 도 3에 도시되는 버스바(310)의 각도 적용을 보여주는 개념도이다. 도 7을 참조하면, 버스바(310)는 배터리 셀 리드(도 3의 140)와 접합을 수행할 때 간섭을 회피하도록 꺾임 구조(710)를 갖는다. 즉, 버스바(310)의 수평하게 연장되다가 일정 부분에 일정 각도로 아래로 밴딩되어 밀착되는 꺾임 구조(710)가 형성된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈에 커넥션 박스를 조립하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 다수의 배터리 셀이 적층되는 셀 어레이(110)를 준비한다(단계 S810). 이후, 상기 셀 어레이(110)를 상기 다수의 배터리 셀에 설치되는 다수의 배터리 셀 리드(140)가 일측 외부로 돌출되게 노출홀(131)이 상기 일측에 형성되는 배터리 하우징(130)의 내측에 조립하고, 상기 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하는 다수의 버스바(310)가 조립되는 커넥션 플레이트(320)를 갖는 커넥션 박스(120)를 상기 일측과 조립한다(단계 S820).
이후, 상기 다수의 배터리 셀 리드(140)와 다수의 버스바(310)를 용접을 통해 접합한다(단계 S830). 이후, 커넥션 박스(120)에 커버를 조합하여 전극 등이 외부에 노출되지 않게 한다(단계 S840).
도 9는 도 1에 도시된 커넥션 박스(120)의 세부 구조를 보여주는 사시도이다. 도 9를 참조하면, 커넥션 박스(120)는 배터리 셀 리드(140)와 버스바(310)가 접합된후 커넥션 플레이트(320)에 커버(920-1,920-2,940)가 체결된다.
커버(920-1,920-2,940)는 좌측면을 커버하는 좌측 세로 커버(920-1), 우측면을 커버하는 우측 세로 커버(920-2), 상하 가장자리를 커버하는 가로 커버(940) 등으로 구성된다.
또한, 전압 센싱을 위한 와어어가 용접되는 와이어 용접 스팟(910), 접속 단자(930)가 버스바(310)의 말단에 형성된다.
이러한 버스바(310)는 직렬 구조 또는 병렬 구조로 배치될 수 있다. 이를 보여주는 도면이 도 10 내지 도 12에 도시된다.
도 10은 도 9에 도시된 커넥션 박스(120)로서 버스바가 직렬 구조(1010)를 배치되는 것을 보여주는 도면이다.
도 11은 도 9에 도시된 커넥션 박스(120)로서 버스바가 2개의 병렬 구조(1110)를 배치되는 것을 보여주는 도면이고, 도 12는 도 9에 도시된 커넥션 박스(120)로서 버스바가 4개의 병렬 구조(1210)를 배치되는 것을 보여주는 도면이다.
100: 배터리 모듈
110: 배터리 셀 어레이
120: 커넥션 박스
130: 배터리 하우징 131: 노출홀
140: 배터리 셀 리드
310: 버스바
320: 플레이트
340: 카운터 바
620: 와이어
610: 전압 센싱 커넥터

Claims (10)

  1. 다수의 배터리 셀이 적층되는 셀 어레이(110);
    상기 셀 어레이(110)가 내측에 조립되며 다수의 상기 배터리 셀에 설치되는 다수의 배터리 셀 리드(140)가 일측 외부로 돌출되게 노출홀(131)이 상기 일측에 형성되는 배터리 하우징(130); 및
    다수의 상기 배터리 셀 리드(140)와 접합되어 다수의 상기 배터리 셀을 연결하는 다수의 버스바(310);
    다수의 상기 버스바(310)가 조립되는 커넥션 플레이트(320)를 갖는 커넥션 박스(120);
    상기 커넥션 박스(120)는 다수의 상기 배터리 셀 리드(140)와 다수의 상기 버스바(310)가 접합된 후, 상기 커넥션 플레이트(320)와 체결되는 커버(920-1,920-2,940);를 포함하며,
    다수의 상기 버스바(310)는 다수의 상기 배터리 셀 리드(140)와 접합을 수행할 때 간섭을 회피하도록 수평하게 연장되다가 일정각도 아래로 밴딩되는 꺾임 구조(710)를 포함하며,
    다수의 상기 버스바(310)와 다수의 상기 배터리 셀 리드(140)의 접합은,
    다수의 상기 배터리 셀 리드(140)가 카운터 바(340)에 의해, 상기 꺾임 구조를 포함한 다수의 상기 버스바(310)에 밴딩되어 밀착된 후, 용접을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접은 레이저 용접인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    다수의 상기 버스바(310)는 직렬 구조 또는 병렬 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    다수의 상기 버스바(310)의 말단에 전압 센싱을 위한 다수의 와이어(620)가 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연결은 초음파 융착 또는 와이어 압착에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    다수의 상기 버스바(310)간의 연결은 용접을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
KR1020150188800A 2015-12-29 2015-12-29 배터리 모듈 및 이의 조립 방법 KR102424640B1 (ko)

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