KR102498014B1 - 관리 모듈을 구비하는 배터리 시스템 - Google Patents

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싱 파워 인코포레이티드
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Abstract

전기 자동차용 배터리 시스템은 적어도 하나의 배터리 모듈(100) 및 관리 모듈(200)을 포함하다. 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀들(101) 및 배터리 셀들(101)을 수용하기 위한 수용 공간(103)을 내부에 정의하고, 배터리 셀들(101)에 열관리를 제공하도록 열관리 유체가 수용 공간(103)을 통하여 유동할 수 있도록 구성되는 외부 케이싱(102)을 포함한다. 관리 모듈(200)은 적어도 하나의 센싱 유닛(300)을 포함하며, 그리고 열관리 유체 및 배터리 셀들(101)의 정보를 수집하기 위하여 센싱 유닛(300)이 열관리 유체에 침지될 수 있도록 배터리 모듈(100)에 결합된다.

Description

관리 모듈을 구비하는 배터리 시스템{BATTERY SYSTEM WITH MANAGEMENT MODULE}
본 발명은 전기 자동차용 배터리 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 배터리 셀들 및 열관리 유체의 정보를 수집하기 위하여 열관리 유체에 침지된 적어도 하나의 센싱 유닛을 구비하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
중국 실용신안 출원번호 CN 207542358U는 전기 자동차를 위한 종래의 액체 냉각 배터리 모듈을 개시한다. 액체 냉각 배터리 모듈은 배터리 모듈, 배터리 모듈을 교번하도록 배치된 방열 핀 부재, 및 방열 핀 부재가 장착되는 액체 냉각 보드를 포함한다. 각 배터리 모듈들의 각각은 배터리들 및 배터리들의 전극들에 연결된 버스바들을 포함한다. 각각의 배터리 모듈들의 버스바들은 열 전도성 및 전기 절연성의 층들을 통해 대응하는 방열 핀 부재들과 접촉한다.
미국 특허 번호 US 7,414,845B2는 액체 침지 냉각된 전자 장치, 예를 들어, 컴퓨터에 사용하기 위한 종래의 회로 보드 조립체, 예를 들어, 컴퓨터 마더 보드를 개시한다. 회로 보드 조립체는 회로 보드가 냉각 액체에 침지될 때 냉각 액체의 이동을 용이하게 함으로써 회로 보드 상의 열 발생 구성 요소로부터의 열 전달을 개선시키도록 구성된다. 컴퓨터의 경우, 복수의 프로세서들, 복수의 메모리 카드들, 복수의 그래픽 카드들 및 복수의 전원들을 포함하는 복수의 발열 구성 요소가 마더 보드에 장착된다. 냉각 액체를 위한 펌프도 마더 보드에 장착될 수 있다. 발열 부품은 냉각 목적으로만 냉각 액체에 침지된다는 것을 유의해야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 배터리 셀들 및 열관리 유체의 정보를 수집하기 위하여 열관리 유체 내에 침지된 적어도 하나의 센싱 유닛을 포함하는 전기 자동차용 배터리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 배터리 시스템은 적어도 하나의 배터리 및 관리 모듈을 포함한다. 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀들 및 배터리 셀들을 수용하기 위한 수용 공간을 내부에 정의하고, 열관리 유체가 수용 공간을 통하여 유동할 수 있도록 구성됨으로써 배터리 셀들에 열관리를 제공하는 외부 케이싱을 포함한다. 관리 모듈은 적어도 하나의 센싱 유닛을 포함하며, 그리고 열관리 유체 및 배터리 셀들의 정보를 수집하기 위하여 센싱 유닛이 열관리 유체에 침지될 수 있도록 배터리 모듈에 결합된다.
본 발명의 다른 특징들과 장점들은 첨부된 도면들을 참조하여 실시예(들)의 다음과 같은 상세한 설명에서 명백해질 것인 바, 상기 도면에서:
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 시스템을 도해하는 개략도이며;
도 2는 제 1 실시예에서 배터리 시스템의 관리 모듈을 도해하는 개략도이며;
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배터리 시스템을 도해하는 개략도이며;
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 배터리 시스템을 도해하는 개략도이다.
본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 전에, 적절하다고 간주되는 경우, 대응하거나 유사한 요소들을 나타내기 위하여 참조 번호들이 도면들에 반복될 수 있으며, 이는 선택적으로 유사한 특징들을 가질 수 있음을 유의해야 한다.
설명을 위한 목적으로만 도시된 도면은 모든 것을 상세하게 도시하지는 않으며, 배터리 시스템의 구성요소들의 실제의 크기들 또는 실제의 상대적 크기들을 나타내기 위한 것이 아님을 유의해야 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전기 자동차(미도시)용 배터리 시스템은 적어도 하나의 배터리 모듈(100) 및 관리 모듈(200)을 포함하는 것으로 도시된다.
배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀들(101) 및 외부 케이싱(102)을 포함한다. 외부 케이싱(102)은 배터리 셀들(101)을 수용하기 위한 수용 공간(103)을 내부에 정의하고, 열관리 유체가 수용 공간(103)을 통하여 유동할 수 있도록 구성됨으로써 배터리 셀들(101)에 열관리를 제공한다. 배터리 셀들(101)의 각각은 제 1 단자(11) 및 제 1 단자(11)에 대향하는 제 2 단자(12)를 구비한다. 상기 열관리 유체는 미네랄 오일, 실리콘 오일, 에스테르계 오일 또는 공학적 유체 등일 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 일 실시예에서, 열관리 유체는 배터리 셀들(101)을 냉각하기 위하여 사용되며, 공학적 유체이다.
도 1에 도시된 일 실시예에서, 배터리 모듈(100)은 배터리 셀들(101)의 제 1 단자들(11)을 전기적으로 함께 연결하도록 구성된 제 1 연결 바 유닛(13), 및 배터리 셀들(101)의 제 2 단자들(12)을 전기적으로 함께 연결하도록 구성된 제 2 연결 바 유닛(14)를 더 포함한다. 제 1 연결 바 유닛(13)은 복수의 제 1 연결 바들(first connection bars, 131)을 구비하고, 제 2 연결 바 유닛(14)은 복수의 제 2 연결 바들(second connection bars, 141)을 구비한다. 제 1 및 제 2 연결 바 유닛들(13, 14)의 세부 사항은, US 2017/0279172 A1, EP 3223338 A1 등과 같은, 본 발명자의 이전 특허 출원들에 개시된 사항들과 유사할 수 있다.
도 1에 도시된 일 실시예에서, 배터리 시스템은 복수의 배터리 모듈들(100)을 포함한다. 배터리 모듈들(100)은, 제 1 및 제 2 연결 바 유닛들(13, 14)를 통하여 배터리 모듈들(100)의 배터리 셀들(101)이 서로 전기적으로 연결될 수 있도록 서로 상에 적층되고, 열관리 유체가 배터리 모듈들(100)의 외부 케이싱들(102)의 수용 공간들(103)을 통하여 순차적으로 유동할 수 있도록 서로 상에 적층된다. 배터리 모듈들(100)은 배터리 팩을 형성하기 위해 서로 맞물리는 빌딩 블록들(예를 들어, 레고 빌딩 블록들)과 같이 적층될 수 있다.
관리 모듈(200)은 적어도 하나의 센싱 유닛(300)을 포함하며, 그리고 관리 모듈(200)은 열관리 냉각유체 및 배터리 셀들(101)의 정보를 수집하기 위하여 센싱 유닛(300)이 열관리 유체에 침지될 수 있도록 배터리 모듈(들)(100)에 결합된다.
도 1 및 도 2에 도시된 일 실시예에서, 관리 모듈(200)은 하우징(201) 및 관리 회로 보드(203)를 더 포함한다.
하우징(201)은 내부 챔버(202)를 내부에 정의하며, 그리고 열관리 유체가 내부 챔버(202)를 통하여 유동할 수 있도록 하우징(201)은 배터리 모듈들(100) 중의 선행하거나 후행하는 어느 하나의 모듈에 결합된다.
도 1에 도시된 일 실시예에서, 배터리 모듈들(100) 중의 선행하는 모듈의 수용 공간(103) 내로 내부 챔버(202) 내의 열관리 유체가 도입될 수 있도록, 하우징(201)은 배터리 모듈들(100) 중 선행하는 모듈의 외부 케이싱(102)에 결합된다. 관리 회로 보드(203)는 열관리 유체 내에 침지되도록 내부 챔버(202) 내에 장착되며, 그리고 센싱 유닛(300)으로부터 수신된 정보를 관리하도록 기능한다.
도 1 및 도 2에 도시된 일 실시예에서, 단일 센싱 유닛(300)이 제공되며, 그리고 단일 센싱 유닛(300)은 연결 센서(connectivity sensor, 301), 유량계(flow meter, 302), 복수의 압력 센서들(303) 및 복수의 온도 센서들(304)을 포함한다.
연결 센서(301)는 관리 회로 보드(203) 상에 장착되며, 2개의 제 1 연결 바들(13) 사이의 전기 저항을 감지하기 위하여, 배터리 모듈들(100) 중 선행하는 모듈의 2개의 제 1 연결 바들(131)에 전기적으로 연결된다. 연결 센서(301)는 열관리 유체 내의 오염을 체크하거나 열관리 유체 내 화학 변화를 체크하기 위하여 제공된다. 연결 센서(301)와 2개의 제 1 연결 바들(131) 사이의 전기적 연결부들은 도 1에서 점선들로 도시된다.
유량계(302)는 열관리 유체의 유량을 감지하기 위하여 관리 회로 보드(203) 상에 장착되며, 열관리 유체를 위한 펌프(미도시)가 적절하게 기능하는 것을 확보하기 위하여 사용된다.
압력 센서들(303)은 수용 공간들(103) 내의 열관리 유체의 액체 압력들을 각각 감지하기 위하여 배터리 모듈들(100)의 수용 공간들(103)에 각각 배치되며, 압력 센서들(303) 및 관리 회로 보드(203) 사이의 데이터 통신을 허용하기 위하여 관리 회로 보드(203)에 전기적으로 연결된다. 일 실시예에서, 압력 센서들(303)은 대기(atmospheric) MEMS 센서들이다.
온도 센서들(304)은 수용 공간들(103) 내의 열관리 유체의 온도들을 각각 감지하기 위하여 수용 공간들(103) 내에 각각 배치되며, 온도 센서들(304) 및 관리 회로 보드(203) 사이의 데이터 통신을 허용하기 위하여 관리 회로 보드(203)에 전기적으로 연결된다.
열관리 유체에 침지된 센서들(301, 302, 303, 304)은 센서들(301, 302, 303, 304)을 냉각시키기 위한 것이 아니라 배터리 및 열관리 유체의 동작 및 상태를 이해하기 위한 것이며 이러한 장치는 배터리 팩의 안전을 개선하기 위하여 유용하다.
배터리 셀들(101) 및 센서들 사이의 전기적 연결부는 용이하게 가열될 수 있으며, 열은 폐열 형태로 소산된다. 전기적 연결부가 퓨즈 요소를 포함한다면, 온도 변화는 퓨징에 악영향을 미친다. 또한, 상대적으로 고온인 전기적 연결부는 배터리 모듈들의 효율에 악영향을 미칠 수 있다. 전기적 연결부를 열관리 유체에 침지하여 전기적 연결부를 냉각하는 것은 배터리 모듈들의 효율을 개선하고 전력 낭비를 감소시킨다. 전기적 연결부가 더욱 효율적으로 냉각되는 것을 촉진하기 위하여 전기적 연결부가 열관리 유체 내에 완전히 침지되기 때문에 상기 배터리 모듈은 기존인 모듈들과 다르다는 것을 유의해야 한다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리 시스템을 도시한다. 상기 제 2 실시예에서 관리 모듈(200)이 배터리 모듈들(100)의 수용 공간들(103) 내에 각각 배치되는 복수의 센싱 유닛들(300)을 포함한다는 점을 제외하고는, 상기 제 2 실시예는 상기 제 1 실시예와 유사하다. 센싱 유닛들(300)의 각각은 인쇄 회로 기판(305), 연결 센서(301), 유량계(302), 압력 센서(303) 및 온도 센서(304)를 포함한다.
인쇄 회로 기판(305)은 각각의 수용 공간(103)에 배치된다.
연결 센서(301)는 인쇄 회로 기판(305) 상에 장착되며 2개의 제 1 연결 바들(13) 사이의 전기 저항을 감지하기 위하여 각각의 배터리 모듈(100)의 2개의 제 1 연결 바들(13)에 전기적으로 연결된다. 연결 센서(301) 및 2개의 제 1 연결 바들(131) 사이의 전기적 연결부들은 도 3에서 점선들로 도시된다.
유량계(302)는 각각의 수용 공간(103) 내에 열관리 유체의 유량을 감지하기 위하여 인쇄 회로 기판(305) 상에 장착된다.
압력 센서(303)는 각각의 수용 공간(103) 내의 열관리 유체의 액체 압력을 감지하기 위하여 인쇄 회로 기판(305) 상에 장착된다. 일 실시예에서, 압력 센서들(303)은 대기(atmospheric) MEMS 센서들이다.
온도 센서(304)는 각각의 수용 공간(103) 내의 열관리 유체의 온도를 감지하기 위하여 인쇄 회로 기판(305) 상에 장착된다.
도 3에 도시된 실시예에서, 센싱 유닛들(300)의 각각은 연결 센서(301), 유량계(302), 압력 센서(303) 및 온도 센서(304)에 의하여 수집된 데이터를 송신하기 위하여 인쇄 회로 기판(305) 상에 장착되는 무선 송신기(306)를 더 포함한다.
나아가, 관리 모듈(200)은 센싱 유닛들(300)의 무선 송신기들(306)로부터 데이터를 수신하기 위하여 관리 회로 보드(203) 상에 장착되는 무선 수신기(204)를 더 포함한다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전기 자동차용 배터리 시스템을 도시한다. 상기 제 3 실시예에서는 무선 송신기(306) 및 무선 수신기(204)를 포함하지 않고, 연결 센서(301), 유량계(302), 압력 센서(303), 및 온도 센서(304)에 의하여 수집된 데이터가 관리 회로 보드(203)로 송신될 수 있도록 인쇄 회로 기판(305) 상의 회로는 관리 회로 보드(203) 상의 회로와 전기적으로 연결된다는 점을 제외하고는, 상기 제 3 실시예는 상기 제 2 실시예와 유사하다.
상기 설명에서, 설명의 목적으로, 실시예(들)의 철저한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부 사항이 설명되었다. 그러나, 당업자에게는 하나 이상의 다른 실시예가 이들 특정 세부 사항의 일부 없이 실시될 수 있음이 명백할 것이다. 또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 “하나의 실시예”, “일 실시예”, 서수를 표시하는 실시예 등의 언급은 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 실시에 포함될 수 있다는 것을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 상세한 설명에서, 본 개시를 간소화하고 다양한 발명 양태의 이해를 돕기 위한 목적으로, 가끔 다양한 특징들이 단일한 실시예, 도면, 또는 설명으로 함께 그룹화되며, 그리고, 본 발명의 실시에서, 일 실시예의 하나 이상의 특정 세부 사항 또는 특징이 다른 실시예의 하나 이상의 특정 세부 사항 또는 특징과 함께 적절한 지점에서 실시될 수 있다는 것을 더 이해해야 한다.
본 발명은 예시적인 실시예(들)로 고려되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예(들)에 한정되는 것이 아니라, 모든 변경 및 동등한 배치를 포함하도록 가장 광범위한 해석의 범위 및 사상 내에 포함되는 다양한 배치를 포함하기 위한 것으로 이해된다.

Claims (10)

  1. 복수의 배터리 셀들 및 상기 배터리 셀들을 수용하기 위한 수용 공간을 내부에 정의하고, 상기 배터리 셀들에 열관리를 제공하도록 열관리 유체가 상기 수용 공간을 통하여 유동할 수 있도록 구성되는 외부 케이싱을 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    적어도 하나의 센싱 유닛을 포함하며, 그리고 상기 열관리 유체 및 상기 배터리 셀들의 정보를 수집하기 위하여 상기 센싱 유닛이 상기 열관리 유체에 침지될 수 있도록 상기 배터리 모듈에 결합되는 관리 모듈;
    을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 배터리 모듈은 복수의 상기 배터리 모듈들을 포함하되, 상기 배터리 모듈들의 상기 외부 케이싱들의 상기 수용 공간들을 통하여 상기 열관리 유체가 순차적으로 유동할 수 있도록 상기 배터리 모듈들이 서로 상에 적층되며,
    상기 관리 모듈은 내부 챔버를 내부에 정의하며, 상기 열관리 유체가 상기 내부 챔버를 통하여 유동할 수 있도록 상기 배터리 모듈들 중의 선행하거나 후행하는 어느 하나의 모듈에 결합되는 하우징, 및 상기 열관리 유체 내에 침지되도록 상기 내부 챔버 내에 장착되며, 상기 센싱 유닛으로부터 수신된 정보를 관리하도록 기능하는 관리 회로 보드를 더 포함하고,
    상기 배터리 셀들의 각각은 제 1 단자 및 제 2 단자를 구비하며, 상기 배터리 모듈은 상기 배터리 셀들의 상기 제 1 단자들을 함께 전기적으로 연결하도록 구성된 제 1 연결 바 유닛 및 상기 배터리 셀들의 상기 제 2 단자들을 함께 전기적으로 연결하도록 구성된 제 2 연결 바 유닛을 더 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 연결 바 유닛들을 통하여 상기 배터리 모듈들의 상기 배터리 셀들이 서로 전기적으로 연결되고,
    상기 하우징은 상기 배터리 모듈들 중의 상기 선행하는 모듈의 상기 수용 공간 내로 상기 내부 챔버 내의 상기 열관리 유체가 도입될 수 있도록, 상기 배터리 모듈들 중 상기 선행하는 모듈의 상기 외부 케이싱에 결합되고,
    상기 제 1 연결 바 유닛은 복수의 제 1 연결 바들을 구비하고,
    상기 센싱 유닛은
    상기 관리 회로 보드 상에 장착되며, 2개의 상기 제 1 연결 바들 사이의 전기 저항을 감지하기 위하여, 상기 배터리 모듈들 중 상기 선행하는 모듈의 상기 2개의 상기 제 1 연결 바들에 전기적으로 연결되는 연결 센서,
    상기 열관리 유체의 유량을 감지하기 위하여 상기 관리 회로 보드 상에 장착되는 유량계,
    상기 수용 공간들 내의 상기 열관리 유체의 액체 압력들을 각각 감지하기 위하여 상기 배터리 모듈들의 상기 수용 공간들에 각각 배치되는 복수의 압력 센서들이며, 상기 압력 센서들 및 상기 관리 회로 보드 사이의 데이터 통신을 허용하기 위하여 상기 관리 회로 보드에 전기적으로 연결되는, 상기 복수의 압력 센서들, 및
    상기 수용 공간들 내의 상기 열관리 유체의 온도들을 각각 감지하기 위하여 상기 수용 공간들 내에 각각 배치되는 복수의 온도 센서들이며, 상기 온도 센서들 및 상기 관리 회로 보드 사이의 데이터 통신을 허용하기 위하여 상기 관리 회로 보드에 전기적으로 연결되는, 상기 복수의 온도 센서들을 포함하는,
    전기 자동차용 배터리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 센서들은 대기(atmospheric) MEMS 센서들인,
    전기 자동차용 배터리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 연결 바 유닛은 복수의 제 1 연결 바들을 구비하고, 상기 관리 모듈은 상기 배터리 모듈들의 상기 수용 공간들 내에 각각 배치되는 복수의 상기 센싱 유닛들을 포함하고,
    상기 센싱 유닛들의 각각은
    상기 각각의 수용 공간 내에 배치되는 인쇄 회로 기판,
    상기 인쇄 회로 기판 상에 장착되며 2개의 상기 제 1 연결 바들 사이의 전기 저항을 감지하기 위하여 상기 각각의 배터리 모듈의 상기 2개의 상기 제 1 연결 바들에 전기적으로 연결되는 연결 센서,
    상기 각각의 수용 공간 내의 상기 열관리 유체의 유량을 감지하기 위하여 상기 인쇄 회로 기판 상에 장착되는 유량계,
    상기 각각의 수용 공간 내의 상기 열관리 유체의 액체 압력을 감지하기 위하여 상기 인쇄 회로 기판 상에 장착되는 압력 센서, 및
    상기 각각의 수용 공간 내의 상기 열관리 유체의 온도를 감지하기 위하여 상기 인쇄 회로 기판 상에 장착되는 온도 센서를 포함하는,
    전기 자동차용 배터리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 센싱 유닛들의 각각은 상기 연결 센서, 상기 유량계, 상기 압력 센서 및 상기 온도 센서에 의하여 수집된 데이터를 송신하기 위하여 상기 인쇄 회로 기판 상에 장착되는 무선 송신기를 더 포함하며; 그리고
    상기 관리 모듈은 상기 센싱 유닛들의 상기 무선 송신기들로부터 상기 데이터를 수신하기 위하여 상기 관리 회로 보드 상에 장착되는 무선 수신기를 더 포함하는,
    전기 자동차용 배터리 시스템.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 압력 센서는 대기(atmospheric) MEMS 센서인,
    전기 자동차용 배터리 시스템.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 연결 센서, 상기 유량계, 상기 압력 센서, 및 상기 온도 센서에 의하여 수집된 데이터가 상기 관리 회로 보드로 송신될 수 있도록 상기 인쇄 회로 기판 상의 회로는 상기 관리 회로 보드 상의 회로와 전기적으로 연결되는,
    전기 자동차용 배터리 시스템.
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