KR20080047639A - 전지모듈 어셈블리 제조용 전원 스위칭 모듈 - Google Patents

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KR20080047639A
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Abstract

본 발명은 전지모듈 어셈블리 제조용 전원 스위칭 모듈로서, 더욱 상세하게는 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 장방형 전지모듈 다수 개가 그것의 폭 방향 및 높이 방향으로 2 개 또는 그 이상씩 적층되어 전체적으로 육면체 구조(육면 적층체)를 이루고 있고, 상기 육면 적층체의 외주 모서리들이 프레임 부재에 의해 고정되어 있으며, 상기 장방형 전지모듈들 각각의 입출력 단자들이 상기 육면 적층체의 일면(a)을 향하도록 배향되어 있고, 상기 면(a)에 결합 및 장착되는 절연성 기판 상에 충방전시 전압 및 전류를 제어하는 소자들과 이들의 접속부재들이 탑재되어 있는 구조로 이루어진 전원 스위칭 모듈을 제공한다.

Description

전지모듈 어셈블리 제조용 전원 스위칭 모듈 {Power Switching Module for Battery Module Assembly}
도 1은 전지모듈 어셈블리에서 장방형 전지모듈들의 육면 적층체가 프레임 부재들에 의해 고정되어 있는 구조의 사시도이다;
도 2는 도 1의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체를 제외한 상태에서 프레임 부재의 일 측면에 PSM이 장착되어 있는 구조의 사시도이다;
도 3은 도 1의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체의 일 측면에 PSM과 BMS가 장착된 상태의 정면 사시도이다;
도 4는 도 3의 후면 사시도이다;
도 5a 및 5b는 도 3에서 PSM의 구조의 사시도 및 평면도이다;
도 6은 도 3에서 BMS의 구조를 나타내는 사시도이다;
도 7은 차량 장착용 프레임을 전지모듈 어셈블리에 장착하는 형태의 분해 사시도이다.
본 발명은 전지모듈 어셈블리 제조용 전원 스위칭 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 장방형 전지모듈 다수 개가 그것의 폭 방향 및 높이 방향으로 2 개 또는 그 이상씩 적층되어 전체적으로 육면체 구조(육면 적층체)를 이루고 있고, 상기 육면 적층체의 외주 모서리들이 프레임 부재에 의해 고정되어 있으며, 상기 장방형 전지모듈들 각각의 입출력 단자들이 상기 육면 적층체의 일면(a)을 향하도록 배향되어 있고, 상기 면(a)에 결합 및 장착되는 절연성 기판 상에 충방전시 전압 및 전류를 제어하는 소자들과 이들의 접속부재들이 탑재되어 있는 구조로 이루어진 전원 스위칭 모듈에 관한 것이다.
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(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 등의 동력원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
중대형 전지모듈은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 전지, 파우치형 전지 등이 중대형 전지모듈의 전지셀로서 주로 사용되고 있다. 특히, 알루미늄 라 미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 파우치형 전지는 중량이 작고 제조비용이 낮으며 형태 변형이 용이하다는 등의 잇점으로 인해 최근 많은 관심을 모으고 있다.
중대형 전지모듈이 소정의 장치 내지 디바이스에서 요구되는 출력 및 용량을 제공하기 위해서는, 다수의 전지셀들을 직렬 방식으로 전기적으로 연결하여야 하고 외력에 대해 안정적인 구조를 유지할 수 있어야 한다.
따라서, 다수의 전지셀들을 사용하여 중대형 전지모듈을 구성하는 경우, 이들의 기계적 체결 및 전기적 접속을 위해 일반적으로 많은 부재들이 필요하므로, 이러한 부재들을 조립하는 과정은 매우 복잡하다. 더욱이, 기계적 체결 및 전기적 접속을 위한 다수의 부재들의 결합, 용접, 솔더링 등을 위한 공간이 요구되며, 그로 인해 시스템 전체의 크기는 커지게 된다. 이러한 크기 증가는 중대형 전지모듈이 장착되는 장치 내지 디바이스의 공간상의 한계 측면에서 바람직하지 않다. 더욱이, 차량 등과 같이 한정된 내부공간에 효율적으로 장착되기 위해서는 더욱 콤팩트한 구조의 중대형 전지모듈이 요구된다.
또한, 중대형 전지모듈을 제조하는 데 사용되는 전원 스위칭 모듈은 전지모듈의 전기를 외부로 인출하기 위한 다수의 제어소자들로 구성되어 있어서 구조가 복잡하고 조립하기가 용이하지 않다.
따라서, 전지모듈의 특정한 구조에 적합하게 최적의 배치구조를 가지면서 전지모듈과 구조적으로 안정성 있게 전기적 또는 기계적으로 결합될 수 있는 전지모듈용 전원 스위칭 모듈에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 차량 등과 같은 제한된 공간에서 최소의 공간으로 안정적으로 장착될 수 있는 콤팩트한 최적의 배치구조를 가지며, 조립이 용이하고, 외부의 충격에 대해 구조적 안정성이 우수한 전지모듈 어셈블리 제조용 전원 스위칭 모듈을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전원 스위칭 모듈은, 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 장방형 전지모듈 다수 개가 그것의 폭 방향(종 방향) 및 높이 방향(횡 방향)으로 2 개 또는 그 이상씩 적층되어 전체적으로 육면체 구조(육면 적층체)를 이루고 있고, 상기 육면 적층체의 외주 모서리들이 프레임 부재에 의해 고정되어 있으며, 상기 장방형 전지모듈들 각각의 입출력 단자들이 상기 육면 적층체의 일면(a)을 향하도록 배향되어 있고, 상기 면(a)에 결합 및 장착되는 절연성 기판 상에 충방전시 전압 및 전류를 제어하는 소자들('제어소자들')과 이들의 접속부재들이 탑재되어 있는 구조로 구성되어 있다.
예를 들어, 충방전시의 과전류 및 과전압을 방지하고 전기를 제어함으로써 전지모듈의 안정적인 작동을 가능하게 하는 상기 제어소자들과 이들을 전기적으로 연결하는 상기 접속부재들은 전원 스위칭 모듈(Power Switching Module: PMS)로 칭할 수 있으며, 이러한 PSM은 중대형 전지모듈 어셈블리를 구성함에 있어서 필수적인 소자이다.
본 발명에 따르면, 이러한 PSM이 기판상에 탑재된 상태에서 전지모듈의 입출력 단자들이 위치하는 면에 장착됨으로써, 전기적 접속 구조와 그에 따라 조립 과정을 더욱 간소화할 수 있으며, 전기적 접속수단의 길이를 감소시켜 내부 저항의 증가를 방지하고, 외부 충격 등에 의해 접속수단이 단전되는 위험성을 감소시킬 수 있다. 또한, 단락의 가능성이 높고 구조적으로 취약할 수 있는 입출력 단자들을 외부의 환경으로부터 보호하는 효과도 발휘할 수 있다.
이러한 PSM은, 전지모듈 어셈블리의 소정 부위에 적정하게 장착될 수 있도록, 전지모듈 어셈블리의 일 측면과 대략 유사한 크기를 가지고, 전지모듈 어셈블리를 구성하는 장방형 전지모듈들 각각의 입출력 단자들과 결합 및 장착되어 전기적 접속을 이루는 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 PSM을 구성하는 제어소자들의 종류는 다양할 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 과전류 및 고전압을 가역적으로 자동 차단하는 메인 릴레이(main relay), 초기 방전 과정에서 상기 메인 릴레이에 우선하여 접속되어 차량의 모터와 전장에 고전압의 전기가 갑자기 공급되는 것을 방지하기 위하여 공급되는 전압 및 전류를 강하시키는 보조 릴레이(free charge relay), 상기 보조 릴레이에 접속 또는 연결되어 전류 및 전압을 감소시키는 저항(resistance), 양극 또는 음극 회로의 경로 상에 위치하며 전지모듈의 작동 상태를 확인하고 전지모듈을 수선할 필요가 있을 때 수동으로 전기를 차단하는 서비스 플러그(service plug), 양극 또는 음극 접속회로 상에서 전류를 검출하여 BMS로 송부하는 전류 센서(current sensor) 등을 들 수 있다. 이러한 제어소자들은 전지모듈의 충방전에 따라 발생하는 전기의 전압 및 전류를 적절하게 제어하게 된다.
상기 전지모듈 육면 적층체는 그것의 구성요소인 장방형 전지모듈들의 적층 형태에 따라 다양한 구조가 가능할 수 있으며, 횡 방향으로 2 개의 장방형 전지모듈들이 서로 대향하여 배열된 상태로, 상기 각각의 장방형 전지모듈에 대해 종 방향으로 1 개 또는 그 이상의 장방형 전지모듈들이 배열되어 있는 구조가 바람직하다.
상기에서 "대향 배열"이란, 2 개의 장방형 전지모듈들이 그것의 동일 부위가 서로 대면하도록 배열되어 있는 것을 의미한다. 예를 들어, 입출력 단자들이 일 측면에 위치하는 구조의 장방형 전지모듈에서, 상기 장방형 전지모듈들 각각의 입출력 단자들이 상기 육면 적층체의 일면(a)을 향하도록 대향 배열되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 대향 배열 구조는 전기적 접속 등을 위한 구성을 더욱 간소화시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 장방형 전지모듈 내부의 전지셀 또는 단위모듈들은, 높은 공간 활용도를 달성하기 위하여, 바람직하게는 육면 적층체의 한 쌍의 대향면들(b, c)에 평행하도록 배열되어 있어서, 육면 적층체의 대향면들(b, c)에 대해 장방형 전지모듈들도 평행하게 배열된다. 이러한 장방형 전지모듈들 사이로 냉매가 이동하여, 충방전시 전지셀로부터 발생하는 열을 효과적으로 제거하게 된다.
반면에, 상기 장방형 전지모듈들을 고정하는 프레임 부재는 육면 적층체의 외주 모서리들 만을 고정하고 있으므로, 상기와 같은 냉매가 소정의 방향으로 한정적으로 유동할 수 있도록 유도하고, 동시에 외측과 내측 장방형 전지모듈들의 온도 편차를 감소시키기 위하여, 상기 대향면들(b, c)에는 바람직하게는 밀폐 부재가 장착되어 있다.
즉, 육면 적층체의 양측 대향면들(b, c)에 각각 장착되어 있는 밀폐 부재는 육면 적층체의 양 측면을 폐쇄함으로써, 냉매가 육면 적층체를 통해서만 이동하도록 만든다. 따라서, 밀폐 부재가 장착되지 않을 경우, 외부로 개방되는 외측 장방형 전지모듈의 상대적으로 빠른 냉각을 방지한다. 일반적으로, 전지모듈은 빠른 냉각은 바람직하지만, 중대형 전지 시스템에서 일부 전지모듈만의 높은 냉각률은 전지모듈들 상호간의 불균형을 초래하고, 그러한 불균형은 궁극적으로 전지셀의 열화를 가속시키기 때문이다. 따라서, 상기 밀폐 부재는 냉매(공기)의 유로를 형성함과 동시에 단위 전지모듈들 간의 균일성을 높여주는 역할을 한다.
바람직하게는, 상기 밀폐 부재는 전지모듈에 대면하는 내측면에 냉매 유로가 형성될 수 있도록 굴곡져 있는 구조로 이루어져 있을 수 있다. 또한, 앞서 설명한 바와 같은 전지모듈들 간의 균일성을 더욱 높이기 위하여, 상기 밀폐 부재는 단열 소재로 이루어진 것이 바람직하다. 특히, 전지모듈 어셈블리의 전체 중량을 최소화하면서 단열성을 높일 수 있도록, 상기 밀폐 부재는 발포성 수지로 만들어질 수 있다.
전지모듈들은 PSM을 거쳐 외부회로로 연결되므로, 전지모듈의 최종 입출력 단자는 PSM에 연결되며, 그러한 PSM으로부터 외부 회로로의 전기적 연결이 이루어진다.
하나의 바람직한 예에서, 전지모듈들의 육면 적층체 중 일면(a)으로부터 전지모듈 입출력 단자가 절연성 기판의 소정 부위로 도출되어 있을 때, 상기 전지모듈 입출력 단자의 대향 측에 서비스 플러그가 위치하고, 절연성 기판의 중앙 부위에 메인 릴레이가 위치하며, 상기 서비스 플러그의 일 측면 상에 전압강하 변환기(LDC: Low Voltage DC-DC Converter) 등과 같은 전기장치에 전기를 연결하기 위한 외부 입출력 단자가 위치하고, 상기 서비스 플러그의 대각선 대향 측에 저항(Resistance)이 위치하며, 상기 서비스 플러그의 측면방향 및 저항의 상부 측면 부위에 보조 릴레이가 위치하고, 상기 메인 릴레이와 외부 입출력 단자 사이에 전류 센서가 위치하는 구조일 수 있다. 상기 구조는, 한정된 공간 내에서 제어소자들의 최적 배치구조를 제공하며, 제어소자들 상호간을 연결하기 위한 전기배선 경로를 최소화시킨다.
상기 접속부재는 제어소자들을 전기적으로 연결하는 부재로서, 예를 들어, 버스 바, 와이어 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 기판 상에 탑재되는 다수의 제어소자들(메인 릴레이, 보조 릴레이, 서비스 플러그, 외부 입출력 단자, 저항, 전류 센서 등)이 콤팩트한 연결 구조를 이룰 수 있도록 금속 플레이트의 버스 바로 주로 구성될 수 있다.
본 발명의 전원 스위칭 모듈은 전지모듈들에 과전류, 고전압의 전기가 인가되거나 그러한 전기가 발생하는 경우에 이를 차단하고, 전지모듈의 점검, 교체 등 과 같이 필요한 경우에 따라 단전을 이룰 수 있는 작용을 하므로, 전지모듈의 양극 및/또는 음극은 외부회로에 연결되기 앞서 전원 스위칭 모듈을 경유하여야 한다.
구체적으로, 상기 장방형 전지모듈의 입출력 단자인 양극 및 음극 중 하나의 전극은 서비스 플러그, 메인 릴레이, 보조 릴레이, 전류 센서, 외부 입출력 단자의 순서로 접속되도록 회로를 구성하고, 나머지 전극은 서비스 플러그만을 경유하고 기타 제어소자들을 경유하지 않은 상태에서 직접 외부 입출력 단자에 접속되도록 회로를 구성할 수 있다. 상기 다수의 제어소자들을 경유하는 전극은 양극일 수도 있고 음극일 수도 있다.
바람직하게는, 상기 PSM의 외부 입출력 단자와 서비스 플러그는 기판이 전지모듈 육면 적층체의 일면(a)에 장착되었을 때, 기판의 측면으로 노출될 수 있도록 함께 위치되어 있는 구조일 수 있다. 따라서, 기판의 기타 측면들이 모두 밀폐되었거나 또는 구조적으로 접근이 용이하지 않은 상태로 조립되어 있어도, 기판의 일 측면 만의 노출을 통해 서비스 플러그와 외부 입출력 단자로의 접근이 가능하므로, 장치 설계의 유연성이 거치며, 필요에 따라 전기적 접속 작업 또는 단전 작업을 용이하게 수행할 수 있다.
장방형 전지모듈들의 육면 적층체의 외주 모서리를 고정하는 프레임 부재는 다양한 구조가 가능하며, 예를 들어, 12 개의 육면체 모서리를 고정하는 각각의 프레임들이 일체로 형성되어 있는 구조, 또는 적어도 1 면의 4 개 모서리들을 고정하는 프레임들이 일체로 형성되어 있는 구조 등이 가능할 수 있다.
바람직하게는, 육면 적층체 중 횡 방향에서 양 면에 위치하는 4 개 모서리들 을 고정하는 프레임들은 일체로 형성되어 있고, 나머지 개별 프레임들은 상기 일체형 프레임들과 체결되는 구조일 수 있다. 이러한 체결 구조는, 예를 들어, 상기 개별 프레임들을 2 개 단위로 사용하여 상부 열의 장방형 전지모듈들과 하부 열의 장방형 전지모듈을 각각의 세트로 고정하고, 이들 개별 프레임들에 2 개의 일체형 프레임을 체결함으로써, 전지모듈 어셈블리의 조립이 가능해지므로, 조립 공정의 효율성이 우수하다.
제어소자들과 접속부재들이 탑재되는 절연성 기판은, 앞서 설명한 바와 같이, 전지모듈 육면 적층체의 일면(a), 즉, 장방형 전지모듈들 각각의 입출력 단자들이 배향되어 있는 면에 다양한 방식으로 결합 및 장착될 수 있는 바, 바람직하게는, 기판의 양 측면에 결합용 체결부가 돌출되어 있고, 전지모듈의 일체형 전면 프레임과 일체형 후면 프레임 및 우측 상단 프레임과 우측 하단 프레임으로 이루어진 개방 우측면에, 볼트와 같은 체결부재를 사용하여, 안정적인 구조로 결합될 수 있다.
따라서, 이러한 장착 구조는, 상기 절연성 기판이 제어소자들과 접속부재들이 탑재되는 공간을 제공하는 역할 뿐만 아니라, 프레임 부재의 골격을 지지하는 구조체로서의 역할을 동시에 수행할 수 있도록 해 준다.
중대형 전지모듈 어셈블리에는 전지모듈의 작동을 제어하는 배터리 관리 시스템인 BMS(Battery Management System)가 장착되어 있는 바, 경우에 따라서는, 상기 BMS가 본 발명에 따른 PSM에 추가적으로 포함될 수도 있다. 구체적으로, 전지모듈 육면 적층체 중 1 면의 모서리들을 고정하는 프레임 부재에 체결되는 절연성 기판 상에 앞서 설명한 바와 같은 제어소자 및 접속부재들과 함께 BMS가 탑재되는 구조도 가능하다.
본 발명은 또한 상기 전원 스위칭 모듈을 포함하는 것으로 구성된 전지모듈 어셈블리를 제공한다. 즉, 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리는 충방전이 행해지는 전지모듈 육면 적층체와 그것의 일면에 장착되어 있는 PSM으로 구성되어 있다.
이러한 전지모듈 어셈블리는 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 한정된 장착공간을 가지며 잦은 진동과 강한 충격 등에 노출되는 전기자동차 또는 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용될 수 있으며, 바람직하게는 하이브리드 전기 자동차의 전원으로 유용하게 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 또한 상기 전지모듈 어셈블리를 동력원으로서 포함하고 있는 하이브리드 전기자동차를 제공하는 바, 충방전이 가능한 전지모듈 어셈블리를 포함하는 하이브리드 전기자동차는 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이하에서는, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈 어셈블리에서 장방형 전지모듈들의 육면 적층체가 프레임 부재들에 의해 고정되어 있는 구조의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 이해를 돕기 위해, 도 2에는 도 1의 전지모듈 어셈블 리에서 육면 적층체를 제외한 상태에서 프레임 부재의 일 측면에 PSM이 장착되어 있는 구조의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다. 또한, 도 3에는 도 1의 전지모듈 어셈블리에서 육면 적층체의 일 측면에 PSM이 장착된 상태의 정면 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 후면 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 전지모듈 어셈블리(100)는 6 개의 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)과, 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)의 육면 적층체(200a)의 외주 모서리들을 고정하는 프레임 부재(300), 및 PSM(400)으로 구성되어 있으며, 전체적으로 직육면체 형상을 나타낸다.
6 개의 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)은 횡 방향으로 2 개씩, 종 방향으로 3 개씩 충적되어 있고, 그것의 일 측면에 형성되어 있는 입출력 단자들(240)이 서로 인접하도록 대향 배열 구조로 적층되어 있다. 즉, 상부 행의 전지모듈들(201, 202, 203)과 하부 행의 전지모듈들(204, 205, 206)이 가상 중심선을 중심으로 서로 대칭 구조를 이루도록, 상부 행의 전지모듈들(201, 202, 203)은 뒤집힌 형태로 하부 행의 전지모듈들(204, 205, 206) 상에 적층되어 있다.
각각의 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)은 다수의 판상형 단위모듈들이 세워진 형태로 내장되어 있는 구조로 이루어져 있고, 프레임 부재(300)는 육면 적층체(200a)의 12 개 외주 모서리를 안정적으로 고정할 수 있도록 다수의 프레임들이 결합되어 있는 구조로 이루어져 있으며, 육면 적층체(200a)를 장착한 상태에서 육면 적층체(200a)의 6 개 면은 외부로 개방되게 된다.
입출력 단자들(240)이 위치하는 육면 적층체(200a)의 정면 상에는, 필요에 따라 전류를 통전시켜 충전 및 방전을 행하고, 전지 시스템의 작동 개시 또는 분해 과정에서 적절한 전압 강하를 행하며, 장방형 전지모듈들과 전기적 접속을 행하고, 과전류, 과전압 등으로부터의 회로를 보호하기 위한 PSM(400)이 장착되어 있다. 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)의 입출력 단자들(240)이 서로 인접해 있으므로, PSM(400)의 연결이 용이하고, 전기적 접속을 위한 부재의 길이를 대폭 줄일 수 있다. 또한, PSM(400)는 입출력 단자들(240)을 밀폐하는 형태로 장착되므로, 이들이 외부로 노출됨으로 유발될 수 있는 단락 등을 방지할 수 있고, 구조적으로 취약한 입출력 단자들(240)이 외력에 의해 변형되는 것을 방지할 수 있다. 즉, PSM(400)는 장방형 전지모듈들(201, 202, 203, 204, 205, 206)의 입출력 단자들(240)에 대한 일종의 보호 부재로서의 역할도 수행한다. PSM(400)의 더욱 자세한 내용은 도 5a 및 5b를 참조하여 이하에서 설명한다.
도 5a 및 5b에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 PSM의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, PSM(400)은 절연성의 두터운 플라스틱 기판(410) 상에 각종 제어소자들이 탑재되어 있고, 이들이 버스 바(424)와 와이어(430)에 의해 연결되어 있는 구조로 이루어져 있다.
전지모듈의 입출력 단자에 연결된 와이어의 도입 위치가 기판(410)의 하측 방향인 경우를 기준으로, 그에 인접한 기판(410)의 상측 방향 부근에 서비스 플러그(414), 기판(410)의 중앙 부위에 메인 릴레이(416), 와이어에 대응하는 기 판(410)의 타측 부위에 보조 릴레이(420), 보조 릴레이(420)의 하부에 저항(418), 그것의 상부에 전류 센서(422)가 위치하고 있어서, 한정된 공간에서 전체적으로 콤팩트한 구조로 구성된다.
외부 입출력 단자는 서비스 플러그(414)의 일 측면상에 함께 위치하고 있고, 양극 외부 입출력 단자(426)와 음극 외부 입출력 단자(428)는 인버터와 LDC 등과 같은 다른 전기장치(도시하지 않음)에 케이블 또는 와이어 같은 접속부재로 연결된다.
도 1의 전지모듈 육면 적층체(200a)를 구성하는 전지모듈들의 양극 입출력 단자(240)는 서비스 플러그(414)에 연결되는 양극 접속단자(432)와 접속되어 메인 릴레이(416), 보조 릴레이(420), 전류 센서(422)를 통과하여 양극 외부 입출력 단자(426)에 연결된다. 반면에, 전지모듈들의 음극 입출력 단자(242)는 서비스 플러그(414)에 연결되는 음극 접속단자(434)와 접속된 후 기타 제어소자들을 거치지 않고 바로 음극 외부 입출력 단자(428)에 연결된다. 따라서, PSM을 구성하는 제어소자들인 서비스 플러그(414), 메인 릴레이(416), 보조 릴레이(420) 중의 하나가 OFF 상태로 작동되면, 전체적으로 단전이 이루어질 수 있다.
서비스 플러그(414)는, 전지모듈 어셈블리의 조립 및 점검, 전지모듈 또는 일부 제어소자들의 교체 등을 행할 때, 작업자 및 시스템의 안전성을 확보할 수 있도록, 필요에 따라 단전을 이루는 역할을 한다.
메인 릴레이(416)는 전지모듈로의 인가 전기 또는 그로부터 발생한 전기가 규정값 이상의 과전류 또는 고전압일 때 이를 차단하여 시스템의 안전성을 확보하 는 역할을 한다.
보조 릴레이(420)와 그것에 연동되어 있는 저항(418)은, 차량의 시동 등과 같이, 시스템이 정지된 상태에서 통전이 행해지면서, 순간적인 통전에 의해 과부하가 시스템에 걸리는 것을 방지할 수 있도록, 적절하게 강하된 전압 및 전류의 전기가 통전될 수 있도록 해 주는 역할을 한다. 따라서, 차량의 시동 시에는 보조 릴레이(420)가 작동하고, 적정한 작동 조건에 도달하면 보조 릴레이(420)는 더 이상 작동하지 않게 된다.
한편, 절연성의 플라스틱 기판(410)은 도 2에서 일체형 전면 프레임과 일체형 후면 프레임 및 우측 상단 프레임과 우측 하단 프레임으로 이루어진 개방 우측면에 일치하게 설치될 수 있는 형상과 크기로 이루어져 있고, 양 측면에 결합용 체결부(412)가 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 전지모듈 어셈블리의 일측 외주면 상의 프레임 부재에 적어도 두 모서리가 안정적으로 결합되게 된다.
따라서, PSM(400)의 플라스틱 기판(410)은 관련 소자들과 버스 바 및 와이어가 탑재되는 공간을 제공할 뿐만 아니라, 프레임 부재의 골격을 지지하는 구조체로서의 역할도 동시에 수행한다.
도 6에는 배터리 관리 시스템인 BMS의 구조가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, BMS(500)는 하우징 케이스 본체 내부에서 PSM이 장착되는 위치에서 LDC 및 인버터와 인접하여 탑재되어 있고, BMS(500)의 일측 하단부에는 체결부(504)가 일 측면으로 돌출되어 있으며, 볼트와 같은 체결부재를 체결부(504)의 체결홈(502)에 삽입 및 체결함으로써 소정의 부위에 고정된다. BMS(500)의 장 착 위치는 다양할 수 있으며, 바람직하게는 도 7에서와 같이 PSM의 장착 방향에 함께 설치될 수 있다.
도 7에는 장착용 프레임 부재를 전지모듈 어셈블리에 장착하는 형태의 분해 사시도가 각각 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 장착용 프레임 부재(380)는 양측 단부가 일체형 전면 프레임(350)의 절곡 연장부(353)에 결합된 상태에서 외측으로 돌출되도록 완만하게 절곡되어 있는 구조로 이루어져 있다. 또한, 장착용 프레임 부재(380)에는 양측 단부 부근에 전면 프레임(350)에 결합되는 체결홈 이외에 외부 장치 또는 디바이스(도시하지 않음)에 결합되는 체결홈도 형성되어 있다.
따라서, PSM(400)과 BMS(500) 등이 일 측면에 설치된 상태에서 전지모듈 어셈블리(100)는 장착용 프레임(380)에 의해 외부 장치 또는 디바이스에 효과적으로 장착될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈 어셈블리 제조용 전원 스위칭 모듈은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 제한된 공간에서 최소의 공간으로 안정적으로 장착될 수 있도록 콤팩트하고 최적인 배치구조를 가지 며, 조립이 용이하고, 외부의 충격에 대해 구조적 안정성이 우수하다는 장점을 가진다.

Claims (15)

  1. 다수의 전지셀들 또는 단위모듈들이 직렬로 연결되어 있는 장방형 전지모듈 다수 개가 그것의 폭 방향(종 방향) 및 높이 방향(횡 방향)으로 2 개 또는 그 이상씩 적층되어 전체적으로 육면체 구조(육면 적층체)를 이루고 있고, 상기 육면 적층체의 외주 모서리들이 프레임 부재에 의해 고정되어 있으며, 상기 장방형 전지모듈들 각각의 입출력 단자들이 상기 육면 적층체의 일면(a)을 향하도록 배향되어 있고, 상기 면(a)에 결합 및 장착되는 절연성 기판 상에 충방전시 전압 및 전류를 제어하는 소자들('제어소자들')과 이들의 접속부재들이 탑재되어 있는 구조의 전원 스위칭 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 항에 있어서, 상기 제어소자들은, 과전류 및 고전압을 가역적으로 자동 차단하는 메인 릴레이(main relay), 초기 방전 과정에서 상기 메인 릴레이에 우선하여 접속되어 전압 및 전류를 강하시키는 보조 릴레이(free charge relay), 상기 보조 릴레이에 접속되어 전류 및 전압을 감소시키는 저항(resistance), 필요에 따라 수동으로 전기를 차단하는 서비스 플러그(service plug), 및 양극 또는 음극 접속회로 상에서 전류를 검출하는 전류 센서(current sensor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원 스위칭 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전지모듈 육면 적층체는 횡 방향으로 2 개의 장방형 전지모듈들이 서로 대향하여 배열된 상태로, 상기 각각의 장방형 전지모듈에 대해 종 방향으로 1 개 또는 그 이상의 장방형 전지모듈들이 배열되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전원 스위칭 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 장방형 전지모듈 내부의 전지셀 또는 단위모듈들은 상기 육면 적층체의 한 쌍의 대향면들(b, c)에 평행하도록 배열되어 있고, 상기 대향면들(b, c)에는 밀폐 부재가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 스위칭 모듈.
  5. 제 2 항에 있어서, 전지모듈 육면 적층체 중 일면(a)으로부터의 전지모듈 입출력 단자가 절연성 기판의 소정 부위로 도출되어 있을 때, 그것의 대향 측에 서비스 플러그가 위치하고, 기판의 중앙 부위에 메인 릴레이가 위치하며, 상기 서비스 플러그의 일 측면 상에 외부 입출력 단자가 위치하고, 상기 서비스 플러그의 대각선 대향 측에 저항이 위치하며, 상기 서비스 플러그의 측방향 및 저항의 상측 부위에 보조 릴레이가 위치하고, 상기 메인 릴레이와 외부 입출력 단자 사이에 전류 센서가 위치하는 것을 특징으로 하는 전원 스위칭 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재는 플레이트 형상의 버스 바인 것을 특징으로 하는 전원 스위칭 모듈.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 전지모듈의 양극 및 음극 중 하나의 전극은 서비스 플러그 - 메인 릴레이 / 보조 릴레이 - 전류 센서 - 외부 입출력 단자의 순서로 접속회로를 구성하고, 나머지 전극은 서비스 플러그 --부 입출력 단자의 순서로 접속회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 전원 스위칭 모듈.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 서비스 플러그와 외부 입출력 단자는 기판이 전지모듈 육면 적층체의 일면(a)에 장착되었을 때, 기판의 측면으로 노출될 수 있도록 함께 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 스위칭 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재는 12 개의 육면체 모서리를 고정하는 각각의 프레임들이 일체로 형성되어 있거나, 또는 적어도 1 면의 4 개 모서리들을 고정하는 프레임들이 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 스위칭 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임 부재는 육면 적층체 중 서로 대면하는 한 쌍의 면(b, c)들에 위치하는 각각 4 개 모서리들을 고정하는 프레임들은 일체로 형성되어 있고, 나머지 4 개의 개별 프레임들은 상기 일체형 프레임들에 체결되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전원 스위칭 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 절연성 기판의 양 측면에 결합용 체결부가 돌출되어 있고, 상기 전지모듈의 일체형 전면 프레임과 일체형 후면 프레임 및 우측 상단 프레 임과 우측 하단 프레임으로 이루어진 개방 우측면에, 상기 절연성 기판이 체결되는 것을 특징으로 하는 전원 스위칭 모듈.
  12. 제 1 항에 있어서, 배터리 관리 시스템(BMS)이 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 전원 스위칭 모듈.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 따른 전원 스위칭 모듈을 포함하고 있는 전지모듈 어셈블리.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전지모듈 어셈블리는 하이브리드 전기자동차의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지모듈 어셈블리.
  15. 제 13 항에 따른 전지모듈 어셈블리를 동력원으로서 포함하고 있는 하이브리드 전기자동차.
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