KR20180080811A - 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩 및 이의 조립 방법 - Google Patents

직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩 및 이의 조립 방법 Download PDF

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박성환
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Abstract

본 발명은 배터리 팩에 대한 것으로서, 더 상세하게는 배터리 모듈간의 연결을 버스바나 와이어 등을 사용하지 않고 직렬로 구성하는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩 및 이의 조립 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 배터리 팩 조립시 배터리 모듈을 직렬 연결할때 외부 버스바, 와이어, 버스바 커버, 체결 너트등의 부품 삭제가 가능하다는 효과가 있다.

Description

직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩 및 이의 조립 방법{Battery pack having serial connection structure and Method for assembling the same}
본 발명은 배터리 팩에 대한 것으로서, 더 상세하게는 배터리 모듈간의 연결을 버스바나 와이어 등을 사용하지 않고 직렬로 구성하는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩 및 이의 조립 방법에 관한 것이다.
친환경 차량용 배터리 팩은 필요 수량의 셀을 용접한 배터리 모듈을 여러 개의 직렬 구조로 조립하여 구성된다. 배터리 팩에서의 배터리 모듈 연결은 외부 버스바나 와이어로 직렬 연결을 하고 있다.
이러한, 버스바나 와이어를 사용하기 위해서는 모듈 외부에 버스바나 와이어를 연결해줄 수 있는 볼트나 너트 구조가 필요하다. 이를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 도 1은 일반적인 배터리 팩의 내부 구성을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하여 배터리 팩에서 배터리 모듈을 조립하는 과정을 보면 다음과 같다. 조립 지그(미도시)에 좌측 엔드 플레이트(120)를 고정한다.
이후, 여러 개의 배터리 모듈(110)을 안착하고, 우측 엔드 플레이트(120)를 고정한다. 이후, 서포트바(130)로 양측 엔드 플레이트(120)를 체결하고, 외부 버스바(2개소)(150)와 고전압 와이어(2개소)(140)를 체결한다. 이후, 버스바 커버(160)를 조립하고, 외부 버스바(150)를 볼트(미도시) 및 너트(170)로 조립한다.
사출물의 상부 하우징(UPPER HOUSING)에 삽입 볼트(INSERT BOLT) 2개가 구성되어 있고, 내부에서는 +리드와 리드에 내부 버스바로 연결되어 있으며 배터리 모듈간 직렬연결을 하기 위해서 2개의 배터리 모듈 사이에 버스바를 인서트 볼트(INSERT BOLT)에 너트(NUT)로 체결한다.
이러한 구조는 부피 에너지 밀도를 향상시키는 구조와 반대되는 구조로서 배터리 모듈의 사공간 축소가 요구되고 있다.
특히, 친환경 차량의 경우 배터리 팩 기술 발전에 대응하도록 부피 에너지 향상 및 원가 절감이 요구되고 있다.
1.한국공개특허 제10-2012-0081402호 2.한국공개특허 제10-2014-0015252호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 버스바나 와이어 등을 사용하지 않고 배터리 모듈을 직렬연결하는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩 및 이의 조립 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 볼트 및/또는 너트가 요구되지 않으면서도 배터리 모듈을 직렬 연결할 수 있는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩 및 이의 조립 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 버스바나 와이어 등을 사용하지 않고 배터리 모듈을 직렬연결하는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩을 제공한다.
상기 배터리 팩(200)은,
하부 하우징(220);
상기 하부 하우징(220)과 일정 간격으로 이격되어 일정한 내부 공간(201)을 형성하는 상부 하우징(230);
상기 하부 하우징(220)의 일단과 상기 상부 하우징(230)의 일단에 조립 지그에 의해 고정되는 좌측 엔드 플레이트(210);
양측에 형성되는 삽입 방식의 직렬 연결 구조(231,232)를 통해 상기 내부 공간(201)에 순차적으로 안착되는 다수의 배터리 모듈(230); 및
상기 하부 하우징(22)의 타단과 상기 상부 하우징(230)의 타단에 상기 조립 지그에 의해 고정되는 우측 엔드 플레이트(240);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 삽입 방식의 직렬 연결 구조(231,232)는, 상기 다수의 배터리 모듈(230)의 모듈 하우징(300) 측면 일단에 형성되며 내측의 제 1 단자 버스바(310)와 전기적으로 연결되는 돌출 형상의 단자 삽입부(231); 및 모듈 하우징(300) 측면 타단에 형성되며 상기 단자 삽입부(231)가 삽입 고정되고 내측의 제 2 단자 버스바(410)에 연결되는 단자 연결부(232);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 좌측 엔드 플레이트(210)의 내측면상에 상기 단자 삽입부가 삽입 고정되는 단자 연결부가 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 우측 엔드 플레이트(240)의 내측면상에 상기 단자 연결부에 삽입 고정되는 단자 삽입부가 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 배터리 팩은, 상기 좌측 엔드 플레이트(210)와 우측 엔드 플레이트(240)를 체결하는 서포트바(221);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 배터리 모듈(230)은, 상기 단자 삽입부(231)가 연결된후 기구적 체결을 위해 상기 단자 삽입부(231)의 외측에 형성되어 표면에 걸림 돌기(811)가 형성되는 걸림부(810);를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 배터리 모듈(230)은, 상기 걸림부(810)가 삽입 안착되도록 상기 단자 연결부(232)의 외측에 형성되는 걸림홈부(1010);를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 다수의 배터리 모듈(230)의 양측에 삽입 방식의 직렬 연결 구조(231,232)를 형성하는 단계; 하부 하우징(220)과 일정 간격으로 이격되어 일정한 내부 공간(201)을 형성하는 상부 하우징(230)을 준비하는 단계; 조립 지그를 통해 상기 하부 하우징(220)의 일단과 상기 상부 하우징(230)의 일단에 좌측 엔드 플레이트(210)를 고정하는 단계; 상기 내부 공간(201)에 순차적으로 다수의 배터리 모듈(230) 안착하는 단계; 및 상기 조립 지그를 통해 상기 하부 하우징(22)의 타단과 상기 상부 하우징(230)의 타단에 우측 엔드 플레이트(240)를 고정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩의 조립 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 조립 방법은, 상기 좌측 엔드 플레이트(210)와 우측 엔드 플레이트(240)를 서포트바(221)로 체결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리 팩 조립시 배터리 모듈을 직렬 연결할 때 외부 버스바, 와이어, 버스바 커버, 체결 너트등의 부품 삭제가 가능하다는 효과가 있다. 즉, 배터리 팩 측면에서는 외부 버스바, 버스바 커버, 너트 등의 삭제가 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 이러한 부품등의 삭제가 가능하므로 원가절감 및 에너지 부피 밀도를 증대할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 배터리 모듈 측면에서는 인서트 볼트의 삭제가 가능하며, 하우징의 크기를 축소하는 것이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 팩의 내부 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩의 조립 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 배터리 모듈(230)에 형성되는 단자 삽입부(231)의 부분 확대도이다.
도 4는 도 2에 도시된 배터리 모듈(230)에 형성되는 단자 연결부(232)의 부분 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈간 결합 동작을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈간 결합이 완료된 상태를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 배터리 모듈간 결합 구조를 보여주는 부분 확대도이다.
도 8은 7에 도시되는 걸림부(810)의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 단자 연결부(232)에 걸림홈부(1010)가 적용되는 사시도이다.
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 이해되어야한다.
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 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩 및 이의 조립 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩의 조립 개념도이다. 도 2를 참조하면, 상기 배터리 팩(200)은, 하부 하우징(220), 상기 하부 하우징(220)과 일정 간격으로 이격되어 일정한 내부 공간(201)을 형성하는 상부 하우징(230), 상기 하부 하우징(220)의 일단과 상기 상부 하우징(230)의 일단에 조립 지그(미도시)에 의해 고정되는 좌측 엔드 플레이트(210), 양측에 형성되는 삽입 방식의 직렬 연결 구조(231,232)를 통해 상기 내부 공간(201)에 순차적으로 안착되는 다수의 배터리 모듈(230), 상기 하부 하우징(22)의 타단과 상기 상부 하우징(230)의 타단에 상기 조립 지그에 의해 고정되는 우측 엔드 플레이트(240) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
물론, 상기 좌측 엔드 플레이트(210)와 우측 엔드 플레이트(240)를 체결하는 서포트바(221)가 추가적으로 구성될 수 있다.
배터리 모듈(230)에 삽입 방식의 직렬 연결 구조(231,232)가 형성된다. 즉, 단자 삽입부(231)가 좌측 하단에 형성되고, 이 단자 삽입부(231)의 반대측면에 단자 연결부(232)가 형성된다.
배터리 모듈(230)은 BMA(Battery Module Assembly)로서 배터리 팩(BPA: Battery Pack Assembly)을 구성하는 최소 단위로 버스바를 통하여 직렬 및/또는 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 셀의 셀 리드들이 직렬 및/또는 병렬의 리드 용접으로 연결된다.
한편, 좌측 엔드 플레이트(210)의 내측면상에 상기 단자 삽입부(231)가 삽입 고정되는 단자 연결부(미도시)가 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이 단자 연결부(미도시)는 배터리 모듈(230)의 우측면에 형성되는 단자 연결부(232)와 유사한 형상이 될 수 있다.
또한, 상기 우측 엔드 플레이트(240)의 내측면상에 상기 단자 연결부(232)에 삽입 고정되는 단자 삽입부(미도시)가 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이 단자 삽입부(미도시)는 배터리 모듈(230)의 좌측면에 형성되는 단자 삽입부(231)와 유사한 형상이 될 수 있다.
따라서, 도 2를 참조하여 조립되는 과정을 설명하면 다음과 같다.
조립 지그(미도시)에 좌측 엔드 플레이트(210)를 고정한다. 이후, 여러 개의 배터리 모듈(230)을 내부 공간(201)에 안착하고, 우측 엔드 플레이트(240)를 고정한다. 이후, 서포트바(221)로 양측 엔드 플레이트(210,240)를 체결한다. 이후, 양측 엔드 플레이트(210,240)에 고전압 커넥터(미도시)(2개소)를 체결한다.
따라서, 배터리 모듈(230) 측면에서는 인서트 볼트의 삭제가 가능하며, 하우징의 크기를 축소하는 것이 가능하다.
또한, 배터리 팩(200) 측면에서는 외부 버스바, 버스바 커버, 너트 등의 삭제가 가능하다.
도 3은 도 2에 도시된 배터리 모듈(230)에 형성되는 단자 삽입부(231)의 부분 확대도이다. 도 3을 참조하면, 배터리 모듈(230)의 모듈 하우징(300) 측면 일단에 돌출 형상의 단자 삽입부(231)가 형성된다. 이 단자 삽입부(231)는 "-" 단자부가 되며 내측의 단자 버스바(310)와 전기적으로 연결된다.
도 4는 도 2에 도시된 배터리 모듈(230)에 형성되는 단자 연결부(232)의 부분 확대도이다. 도 4를 참조하면, 모듈 하우징(300) 측면 타단에 상기 단자 삽입부(231)가 삽입 고정되는 단자 연결부(232)가 형성된다. 이 단자 연결부(232)는 "+" 단자부가 되며 내측의 제 2 단자 버스바(410)와 전기적으로 연결된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈간 결합 동작을 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 3개의 배터리 모듈이 결합되는 개념도로서 "+"단자와 "-"단자가 결합되는 방식과 유사함을 보여준다. 즉, "+" 단자에 "-"단자가 끼움 형식으로 체결되는 것을 보여준다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈간 결합이 완료된 상태를 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 3개의 배터리 모듈이 서로 결합되어 전기적으로 연결되는 것을 보여준다.
도 7은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 배터리 모듈간 결합 구조를 보여주는 부분 확대도이다. 도 7을 참조하면, 단자 연결부(232)에 단자 삽입부(231)가 삽입 결합된 상태로서, 암 전극 단자(710)에 숫 전극 단자(820)가 삽입되어 결합된다.
도 8은 도 7에 도시된 배터리 모듈간 결합 구조중 단자 삽입부(231)에 걸림부(810)가 적용되는 개념도이다. 도 8을 참조하면, 단자 삽입부(도 2의 231)가 연결된후 안정적인 기구적 체결을 위해 상기 단자 삽입부(231)의 외측에 걸림부(810)가 형성된다. 걸림 기능을 위해 걸림부(810)의 표면에 걸림 돌기(811)가 형성된다. 특히, 걸림부(810)는 삽입이 유리하도록 좌측에서 우측으로 폭이 넓어지도록 기울기가 형성된다.
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 단자 연결부(232)에 걸림홈부(1010)가 적용되는 사시도이다. 도 9를 참조하면, 걸림홈부(1010)는 상기 걸림부(810)가 삽입 안착되도록 상기 단자 연결부(232)의 외측에 형성된다. 즉, 단자 연결부를 에워 싸는 형상으로 형성된다. 또한, 걸림홈부(1010)는 상기 걸림부(810)와 치합되도록 바깥쪽에서 안쪽으로 폭이 좁아지도록 기울기가 형성된다. 물론, 내측에 걸림 돌기(도 8의 811)가 걸치도록 오목홈이 형성된다.
200: 배터리 팩
201: 내측 공간
210: 좌측 엔드 플레이트
220: 하부 하우징 221: 서포트바
230: 상부 하우징 231: 단자 삽입부
232: 단자 연결부
240: 우측 엔드 플레이트
300: 모듈 하우징
310: 제 1 단자 버스바
410: 제 2 단자 버스바
810: 걸림부 811: 걸림돌기
1010: 걸림 홈부

Claims (9)

  1. 하부 하우징(220);
    상기 하부 하우징(220)과 일정 간격으로 이격되어 일정한 내부 공간(201)을 형성하는 상부 하우징(230);
    상기 하부 하우징(220)의 일단과 상기 상부 하우징(230)의 일단에 조립 지그에 의해 고정되는 좌측 엔드 플레이트(210);
    양측에 형성되는 삽입 방식의 직렬 연결 구조(231,232)를 통해 상기 내부 공간(201)에 순차적으로 안착되는 다수의 배터리 모듈(230); 및
    상기 하부 하우징(22)의 타단과 상기 상부 하우징(230)의 타단에 상기 조립 지그에 의해 고정되는 우측 엔드 플레이트(240);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 삽입 방식의 직렬 연결 구조(231,232)는, 상기 다수의 배터리 모듈(230)의 모듈 하우징(300) 측면 일단에 형성되며 내측의 제 1 단자 버스바(310)와 전기적으로 연결되는 돌출 형상의 단자 삽입부(231); 및 모듈 하우징(300) 측면 타단에 형성되며 상기 단자 삽입부(231)가 삽입 고정되고 내측의 제 2 단자 버스바(410)에 연결되는 단자 연결부(232);를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 좌측 엔드 플레이트(210)의 내측면상에 상기 단자 삽입부가 삽입 고정되는 단자 연결부가 형성되는 것을 특징으로 하는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 우측 엔드 플레이트(240)의 내측면상에 상기 단자 연결부에 삽입 고정되는 단자 삽입부가 형성되는 것을 특징으로 하는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 좌측 엔드 플레이트(210)와 우측 엔드 플레이트(240)를 체결하는 서포트바(221);를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 모듈(230)은, 상기 단자 삽입부(231)가 연결된후 기구적 체결을 위해 상기 단자 삽입부(231)의 외측에 형성되어 표면에 걸림 돌기(811)가 형성되는 걸림부(810);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 모듈(230)은, 상기 걸림부(810)가 삽입 안착되도록 상기 단자 연결부(232)의 외측에 형성되는 걸림홈부(1010);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩.
  8. 다수의 배터리 모듈(230)의 양측에 삽입 방식의 직렬 연결 구조(231,232)를 형성하는 단계;
    하부 하우징(220)과 일정 간격으로 이격되어 일정한 내부 공간(201)을 형성하는 상부 하우징(230)을 준비하는 단계;
    조립 지그를 통해 상기 하부 하우징(220)의 일단과 상기 상부 하우징(230)의 일단에 좌측 엔드 플레이트(210)를 고정하는 단계;
    상기 내부 공간(201)에 순차적으로 다수의 배터리 모듈(230) 안착하는 단계; 및
    상기 조립 지그를 통해 상기 하부 하우징(22)의 타단과 상기 상부 하우징(230)의 타단에 우측 엔드 플레이트(240)를 고정한느 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩의 조립 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 좌측 엔드 플레이트(210)와 우측 엔드 플레이트(240)를 서포트바(221)로 체결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 연결 구조를 갖는 배터리 팩의 조립 방법.
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