KR20210042658A - 직렬연결 및 전압 센싱 방식을 개선한 배터리 팩 - Google Patents

직렬연결 및 전압 센싱 방식을 개선한 배터리 팩 Download PDF

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김학인
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은 전지셀들과 상기 전지셀들을 수용하는 셀 하우징 그리고 양극 터미널을 형성하는 제1 메탈 플레이트와 음극 터미널을 형성하는 제2 메탈 플레이트를 각각 구비하며, 길이 방향을 따라 상호 조립되어 연속적으로 배열되는 다수의 셀 어셈블리; 어느 하나의 셀 어셈블리의 제1 메탈 플레이트와 다른 셀 어셈블리의 제2 메탈 플레이트와 접촉하는 직렬 연결부재를 구비하고, 길이 방향을 따라 상기 다수의 셀 어셈블리의 외측 표면에 일체로 부착되는 전압센싱 회로기판; 및 상기 다수의 셀 어셈블리의 일측 끝단부에 연속해서 조립되고 상기 전압센싱 회로기판과 연결되는 BMS 어셈블리를 포함할 수 있다.

Description

직렬연결 및 전압 센싱 방식을 개선한 배터리 팩{Battery Pack with improved series connection and voltage sensing scheme}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 배터리 팩을 구성하는 단위 셀 어셈블리들의 조립 구조, 직렬 연결 구조 및 전압 센싱 구조에 관한 것이다.
이차 전지는 다양한 제품군에 적용성이 높고, 높은 에너지 밀도를 가지는 전기적 특성을 가지고 있다. 이러한 이차 전지는 휴대용 전자 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기 스쿠터, 전기 차량 또는 전력 저장 장치 등에 적용되고 있다.
이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점 뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생하지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
전기 스쿠터나 전기 차량 등에 적용되는 배터리 팩은 출력 및 용량 등의 증가를 위해 하나의 배터리 팩에 복수의 이차 전지셀들이 포함된다. 그리고, 이러한 복수의 이차 전지셀들은 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결된다. 이처럼, 복수의 이차 전지셀이 연결되는 경우, 각 이차 전지셀들 사이는 메탈 플레이트 또는 버스 바(bus bar)와 같은 연결 부재로 연결된다. 즉, 하나의 연결 부재가 둘 이상의 이차 전지에 대한 양극 단자나 음극 단자와 연결됨으로써, 둘 이상의 이차 전지 사이에 전류가 흐를 수 있게 되어 이차 전지 간 직렬 또는 병렬 연결이 달성될 수 있다.
한편, 이처럼 연결 부재를 통해 연결된 다수의 이차 전지가 배터리 팩 내에 포함된 경우, 각 이차 전지들에 대해서는 상태가 정확하게 검출되어야 될 필요가 있다. 예를 들어, 배터리 팩 내에 포함된 이차 전지에 대해서는 셀 밸런싱이나 만방전 확인, SOC 추정 등을 위해 전압이 검출될 필요가 있다. 이처럼, 배터리 팩에 포함된 복수의 이차 전지에 대한 상태 검출은, 대표적으로 이차 전지셀들 사이에 구비된 연결 부재에 검출용 센싱 와이어를 접속시킴으로써 수행될 수 있다.
이처럼 센싱 와이어를 연결 부재에 접속시키는 방식으로, 종래에는 솔더링, 스크류, 리벳 방식이 많이 이용되고 있다. 이는, 버스 바와 같은 연결 부재가 통상적으로 두께가 얇고 양면이 넓은 판 형태, 즉 플레이트 형태로 구성되고, 센싱 와이어를 접속시킬 수 있는 별도의 구조가 형성되어 있지 않기 때문이다.
그런데 예컨대 솔더링 방식에 의해 센싱 와이어를 연결 부재에 접속시키는 경우, 공정 시간이 많이 소요되고 숄더링 자재, 와이어 자재 등이 기타 자재 비용이 많이 든다. 뿐만 아니라 전기 스쿠터, 자동차, 기타 파워툴 등에 사용되는 배터리 팩은 진동에 많이 노출되는데 상기 종래의 전압 센싱 연결 방식에 의하면, 센싱 와이어와 연결 부재의 솔더링 부분이 떨어질 염려도 크고, 배터리 팩의 일부 구성에 하자가 있어도 해당 부분만의 분리나 교체가 어렵다는 문제등이 있다.
한국 공개특허 제10-2017-0010972호 (2017.02.02) 주식회사 엘지화학
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 극성이 같은 전지셀들 단위로 구분되는 셀 뱅크 간의 직렬 연결 및 전압 측정 구조를 효율적으로 개선하여 조립 공정 시간 단축, 비용 절감, 충격시 전기적 안정성 및 컴팩트화를 도모할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 전지셀들과 상기 전지셀들을 수용하는 셀 하우징 그리고 양극 터미널을 형성하는 제1 메탈 플레이트와 음극 터미널을 형성하는 제2 메탈 플레이트를 각각 구비하며, 길이 방향을 따라 상호 조립되어 연속적으로 배열되는 다수의 셀 어셈블리; 어느 하나의 셀 어셈블리의 제1 메탈 플레이트와 다른 셀 어셈블리의 제2 메탈 플레이트와 접촉하는 직렬 연결부재를 구비하고, 길이 방향을 따라 상기 다수의 셀 어셈블리의 외측 표면에 일체로 부착되는 전압센싱 회로기판; 및 상기 다수의 셀 어셈블리의 일측 끝단부에 연속해서 조립되고 상기 전압센싱 회로기판과 연결되는 BMS 어셈블리를 포함할 수 있다.
상기 전압센싱 회로기판은 미리 결정된 위치마다 상기 제1 및 제2 메탈 플레이트가 통과하도록 두께 방향으로 형성된 한 쌍의 관통홀들을 더 구비하고, 상기 직렬 연결부재는 상기 한 쌍의 관통홀의 둘레를 감싸며 상기 전압센싱 회로기판의 일면에 배치될 수 있다.
상기 직렬 연결부재는 중심부가 뚫려있는 금속 플레이트 형태로 마련될 수 있다.
상기 셀 어셈블리의 제1 및 제2 메탈 플레이트는, 상기 셀 하우징의 내부에서 적어도 2개의 전지셀들의 동일 극성의 전극단자와 일체로 접촉하는 인너파트;와 상기 인너파트에서 상기 셀 하우징의 내외로 연장되어 상기 직렬 연결부재와 접촉하는 아웃파트를 포함할 수 있다.
상기 아웃파트는 상기 관통홀을 수직하게 통과하고 그 끝단부가 절곡 변형되어 상기 직렬 연결부재에 고정 결합될 수 있다.
상기 셀 어셈블리의 셀 하우징은 내부 공간에 적어도 4개 이상의 전지셀들을 복열 구조로 수용하고, 1열의 전지셀들과 2열의 전지셀들은 극성이 서로 반대이게 배치되며, 상기 제1 메탈 플레이트는 상기 1열 및 2열의 전지셀들의 양극 단자와 접촉하도록 상기 셀 하우징의 1열과 2열에 하나씩 2개가 구비되고, 상기 제2 메탈 플레이트는 상기 1열 및 제2열의 전지셀들의 음극 단자와 접촉하도록 상기 셀 하우징의 1열과 2열에 하나씩 2개가 구비될 수 있다.
상기 전압센싱 회로기판은 2개를 한 쌍으로 상기 다수의 셀 에셈블리의 상부 표면과 하부 표면에 각각 부착되는 제1 전압센싱 회로기판과 제2 전압센싱 회로기판을 포함하고, 상기 셀 하우징의 1열에 구비되는 제1 및 제2 메탈 플레이트는 상기 제1 전압센싱 회로기판에 접속하고, 상기 셀 하우징의 2열에 구비되는 제1 및 제2 메탈 플레이트는 상기 제2 전압센싱 회로기판에 접속할 수 있다.
상기 다수의 셀 어셈블리에 일체로 연결되어 상기 다수의 셀 어셈블리를 하나의 몸체로 조립하는 롱 샤프트를 더 포함할 수 있다.
상기 셀 어셈블리의 셀 하우징에는 상기 롱 샤프트가 통과하는 샤프트 통과홀이 중앙 영역을 따라 형성될 수 있다.
상기 전지셀들은 원통형 전지셀들이며, 상기 셀 하우징은, 상기 전지셀들의 일부분을 감싸는 제1 하우징;과 상기 제1 하우징과 조립 및 분해 가능하고 상기 전지셀들의 나머지 부분을 감싸는 제2 하우징;을 포함하고, 상기 제1 및 제2 하우징은, 내측에 상기 샤프트 통과홀과 나란하게 상기 전지셀들을 길이 방향으로 개별적으로 삽입시킬 수 있는 복수 개의 소켓부들을 구비할 수 있다.
상기 셀 어셈블리의 셀 하우징은 길이 방향에 따른 일면과 타면에 각각 제1 조립부와 제2 조립부를 구비하고, 상기 제1 조립부는 상기 샤프트 통과홀의 외측에 원주 방향을 따라 돌출 형성되는 제1 환형 부재와 상기 제1 환형 부재의 내측으로 연장되는 회전방지부재를 포함하고, 상기 제2 조립부는 상기 제1 환형 부재보다 작은 직경을 가지고 상기 샤프트 통과홀의 외측에 둘레 방향을 따라 불연속적으로 돌출 형성되는 제2 환형 부재를 포함하며, 어느 하나의 상기 셀 하우징의 제1 환형 부재 내측에, 다른 하나의 상기 셀 하우징의 제2 환형 부재가 억지 끼움 결합되고, 상기 회전방지부재와 상기 제2 환형 부재가 시계 또는 반시계 방향으로 걸림 결합될 수 있다.
상기 다수의 셀 어셈블리들 각각은, 서로 상기 전압센싱 회로기판의 폭만큼의 이격 거리를 두고 상기 셀 어셈블리의 외측 표면으로부터 돌출되어 상기 전압센싱 회로기판의 양측부를 지지하는 기판 지지체들을 더 포함할 수 있다.
상기 다수의 셀 어셈블리, 상기 전압센싱 회로기판, 상기 BMS 어셈블리를 길이 방향을 따라 삽입하여 배치시킬 수 있는 팩 케이스를 더 포함하고, 상기 다수의 셀 어셈블리는 대칭되는 양쪽 측면부에 오목하게 만입된 오목부를 구비하고, 상기 팩 케이스는 상기 오목부에 부분적으로 삽입되게 상기 팩 케이스의 내측 벽면에서 돌출되고 상기 팩 케이스의 길이 방향을 따라 연장 형성되는 삽입 가이드부을 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함한 전기 퀵 보드 또는 전기 스쿠터가 제공될 수 있다.
본 발명은, 다수의 셀 어셈블리들의 외측 표면에 전압 센싱 회로기판을 간단히 부착함으로써 극성이 같은 전지셀들 단위로 구분되는 셀 뱅크 간의 직렬 연결 및 전압 센싱이 이루어지게 되어 있어 배터리 팩의 조립 공정 시간이 현저히 단축될 수 있다.
또한, 본 발명은 다수의 셀 어셈블리와 전압 센싱 회로기판이 공간 효율적으로 서로 밀착되어 있어 컴팩트화 추세의 배터리 팩에 부응한다.
또한, 본 발명은 셀 어셈블리의 메탈 플레이트와 센싱 회로기판의 직렬 연결부재 간에 끼움, 절곡 그리고 용접 등의 강성 확보 구조가 채용되어 있어 외부 충격이나 진동에도 전기적 접촉 안정성이 높다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 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 팩의 외형을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 배터리 팩의 내부 구성품들을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 구성품들의 부분 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 셀 어셈블리의 부분 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 셀 어셈블리의 결합 사시도이다.
도 6은 도 3의 A영역 확대도이다.
도 7은 도 3의 직렬 연결부재에 제1 및 제2 메탈 플레이트를 조립한 상태를 도시한 도면이다.
도 8은 도 2를 다른 각도에서 본 부분 사시도이다.
도 9는 도 1의 I-I'에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 단면도이다.
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 안 되며, 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 팩의 외형을 개략적으로 나타낸 사시도, 도 2는 도 1의 배터리 팩의 내부 구성품들을 도시한 사시도, 도 3은 도 2의 구성품들의 부분 분해 사시도, 도 4는 도 3의 셀 어셈블리의 부분 분해 사시도이다.
이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 길이 방향(X축방향)을 따라 상호 조립되어 연속적으로 배열되는 다수의 셀 어셈블리(100)와, 상기 다수의 셀 어셈블리(100)에 일체로 각각 결합되는 전압센싱 회로기판(200)과 BMS 어셈블리(300) 그리고 이들 모두를 일체로 패키징하는 팩 케이스(400)를 포함한다.
각각의 상기 셀 어셈블리(100)는 복수 개의 전지셀(110)들과 상기 전지셀(110)들을 수용하는 셀 하우징(120) 그리고 제1 및 제2 메탈 플레이트(130,140)를 포함한다.
상기 전지셀(110)은 전극 단자가 상부 및 하부에 각각 형성되어 있는 원통형 전지셀(110)일 수 있다. 원통형 전지셀(110)은, 일반적으로 젤리-롤 타입의 전극 조립체와, 상기 전극 조립체를 수용할 수 있는 내부 공간을 갖고 상단이 오픈되어 있는 원통 형상의 금속 재질의 전지캔과, 상기 전지캔의 상단을 차폐하도록 형성된 캡 조립체를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 상기 캡 조립체가 양극을 형성하고, 전지캔의 바닥면이 음극을 형성한다. 그리고 전지캔의 측부는 절연 필름으로 피복될 수 있다.
본 실시예는 전지셀(110)로 원통형 전지셀(110)을 채용하였으나, 본 발명의 권리범위가 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 예컨대 상기 전지셀(110)은 원통형이 아닌 다른 유형의 금속 캔형 이차전지가 채용될 수도 있다.
셀 하우징(120)은, 전지셀(110)들의 일부분을 감싸는 제1 하우징(121)과, 전지셀(110)들의 나머지 부분을 감싸는 제2 하우징(122)을 포함한다. 상기 제1 하우징(121)과 제2 하우징(122)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 각각 길이 방향대로 전지셀(110)을 삽입할 수 있는 복수 개의 소켓부(120a,120b)들을 내부에 구비하고 전지셀(110)들을 상기 소켓부(120a,120b)들에 개별적으로 장착한 다음, 서로 조립 및 분해 가능하게 마련될 수 있다.
구체적으로, 본 실시예의 셀 하우징(120)은 4개의 전지셀(110)들을 복열 구조로 수용할 수 있도록 구성되어 있다. 이를테면, 셀 하우징(120)은 1열의 소켓부(120a)와 2열의 소켓부(120b)에 각각 2개씩의 전지셀(110)들을 끼워 넣을 수 있다. 여기서 상기 1열의 소켓부(120a)와 2열의 소켓부(120b)에 장착되는 전지셀(110)들은 극성이 서로 반대일 수 있다.
물론, 본 실시예와 달리, 셀 하우징(120)은 1열과 2열에 각각 3개씩 또는 그 이상의 전지셀(110)들을 끼워 넣을 수 있게 상기 소켓부들이 형성되거나, 1열과 2열의 전지셀(110)들이 모두 극성이 같은 방향에 놓이도록 배치되게 구성할 수도 있으므로 본 발명의 권리범위가 도면과 같은 구성으로만 제한된다 할 수 없다.
이러한 단위 셀 하우징(120)의 1열의 소켓부(120a)와 2열의 소켓부(120b)의 중앙 영역에 샤프트 통과홀(100a)이 구비되고 상기 샤프트 통과홀(100a)에 롱 샤프트(500)가 삽입될 수 있다. 즉, 다수의 셀 어셈블리(100)들은 중앙 영역에 길이 방향을 따라 삽입되는 롱 샤프트(500)에 일체로 연결되어 하나의 몸체로 조립될 수 있다.
또한, 상기 다수의 셀 어셈블리(100)들은 상기 롱 샤프트(500)에 의해 연결되고 상대 회전하지 않게 상호 결합하게 마련될 수 있다. 이를 위해 각 셀 어셈블리(100)의 셀 하우징(120)은 길이 방향(X축 방향)에 따른 일면과 타면에 각각 제1 조립부(123)와 제2 조립부(124)를 구비한다.
상기 제1 조립부(123)는 상기 샤프트 통과홀(100a)의 외측에 원주 방향을 따라 돌출 형성되는 제1 환형부재(123a)와 상기 제1 환형부재(123a)의 내측으로 연장되는 회전방지부재(123b)를 포함하고, 상기 제2 조립부(124)는 상기 제1 환형부재(123a)보다 작은 직경을 가지고 상기 샤프트 통과홀(100a)의 외측에 둘레 방향을 따라 불연속적으로 돌출 형성되는 제2 환형부재(124)를 포함한다.
어느 하나의 상기 셀 하우징(120)의 제1 환형부재(123a) 내측에 다른 하나의 상기 셀 하우징(120)의 제2 환형부재(124)가 억지 끼움 결합될 수 있고 이때, 상기 회전방지부재(123b)와 상기 제2 환형부재(124)가 시계 또는 반시계 방향으로 걸림 결합될 수 있다. 다시 말하면 (도 4 내지 도 5를 참조) 상기 제2 환형부재(124)는 상기 제1 환형부재(123a)보다 작은 직경으로 제1 환형부재(123a) 안쪽 공간에 배치되고 이때 상기 회전방지부재(123b)가 상기 제2 환형부재(124)의 조각들 사이에 개재되어 제1 환형부재(123a)와 제2 환형부재(124) 간의 상대 회전이 제한된다.
이러한 셀 하우징(120)의 제1 및 제2 조립부(123,124) 구성으로, 도 3의 ①번~⑤번 셀 어셈블리(100)가 길이 방향을 따라 상호 조립되어 연속적으로 배열된 다음 롱 샤프트(500)가 이들 모두에 연결되어 상기 5개의 셀 어셈블리(100)들이 일체로 고정될 수 있다.
이러한 셀 어셈블리(100)들의 전기적 연결은 제1 메탈 플레이트(130)와 제2 메탈 플레이트(140)를 사용해서, 어느 하나의 셀 어셈블리(100)의 제1 메탈 플레이트(130)와 다른 셀 어셈블리(100)의 제2 메탈 플레이트(140)를 전기적으로 연결하는 방식으로 구성된다.
상기 제1 메탈 플레이트(130)는 각 셀 하우징(120)에 수납된 원통형 전지셀(110)들의 양극에 부착되고 상기 제2 메탈 플레이트(140)는 각 셀 하우징(120)에 수납된 원통형 전지셀(110)들의 음극에 부착된다. 따라서 상기 제1 메탈 플레이트(130)는 개별 셀 어셈블리(100)의 양극 터미널로 기능하고 제2 메탈 플레이트(140)는 개별 셈 어셈블리의 음극 터미널로 기능한다 할 수 있다.
이를테면, 본 실시예는 4개의 전지셀(110)들이 복열로 셀 하우징(120)에 수납되고, 1열의 전지셀(110)들과 2열의 전지셀(110)들이 극성이 서로 반대로 배치되어 있다.
이에 상기 제1 메탈 플레이트(130)는 상기 1열 및 2열의 전지셀(110)들의 양극 단자와 접촉하도록 상기 셀 하우징(120)의 1열과 2열에 하나씩 2개가 구비되고, 상기 제2 메탈 플레이트(140)는 상기 1열 및 제2열의 전지셀(110)들의 음극 단자와 접촉하도록 상기 셀 하우징(120)의 1열과 2열에 하나씩 2개가 구비된다.
참고로, 본 명세서에서 상기 제1 메탈 플레이트(130)와 제2 메탈 플레이트(140)는 전지셀(110)들에 있어서 어떤 극성 부분에 부착하느냐에 따라 구분한 것이지 그 형상이나 구조에 따라 정의한 것은 아니다. 즉, 상기 제1 메탈 플레이트(130)와 제2 메탈 플레이트(140)는 예컨대 구리 또는 알루미늄 등과 같이 전기 전도성이 좋은 금속 플레이트로 형태로서 동일한 형상으로 제작될 수 있다.
본 발명에 따른 제1 및 제2 메탈 플레이트(130,140)는 인서트 사출 방식에 의해 상기 셀 하우징(120)의 내외로 배치되게 마련될 수 있다.
즉, 도 4와 같이, 제1 및 제2 메탈 플레이트(130,140)는 대략 "T" 자 형상으로 제1 하우징(121) 및 제2 하우징(122)의 일단부의 안쪽 영역에 구비될 수 있다.
더 구체적으로 제1 및 제2 메탈 플레이트(130,140)는 상기 셀 하우징(120)의 내부에서 적어도 2개의 전지셀(110)들의 동일 극성의 전극단자와 일체로 접촉하는 인너파트(131,141)와 상기 인너파트(131,141)에서 셀 하우징(120)의 내외로 연직 상방향 또는 연직 하방향으로 연장되게 배치되는 아웃파트(132,142)를 포함한다. 상기 아웃파트(132,142)는 전압센싱 회로기판(200)의 직렬 연결부재(210)에 접촉할 수 있다.
이처럼 제1 및 제2 메탈 플레이트(130,140)를 셀 하우징(120)의 내부에 일체화시켜 놓음으로써 전지셀(110)들과의 접촉 고정성 확보가 수월한 이점과 전술한 바와 같이 여러 개의 셀 하우징(120)들을 길이 방향을 따라 연속해서 조립하기가 수월해지는 이점이 있다. 또한, 외부 충격시 인접한 셀 어셈블리(100)들의 메탈 플레이트들 간의 비정상적 접촉에 의한 쇼트 발생을 방지할 수 있는 이점도 있다.
한편, 본 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 다수의 셀 어셈블리(100)들을 직렬 연결하기 위해서 어느 하나의 셀 어셈블리(100)의 제1 메탈 플레이트(130)와 다른 셀 어셈블리(100)의 제2 메탈 플레이트(140)와 접촉하는 직렬 연결부재(210)를 구비하고 길이 방향을 따라 적어도 상기 다수의 셀 어셈블리(100)의 길이만큼 연장되고 상기 다수의 셀 어셈블리(100)의 외측 표면에 일체로 부착되는 전압센싱 회로기판(200)을 포함한다.
다시 도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 전압센싱 회로기판(200)은 2개를 한 쌍으로 상기 다수의 셀 어셈블리(100)의 상부 표면과 하부 표면에 각각 부착되는 제1 전압센싱 회로기판(200A)과 제2 전압센싱 회로기판(200B)을 포함한다.
그리고 셀 어셈블리(100)들 각각은, 서로 상기 전압센싱 회로기판(200)의 폭만큼의 이격 거리를 두고 상기 셀 어셈블리(100)의 외측 표면으로부터 돌출되어 상기 전압센싱 회로기판(200)의 양측부를 지지하는 기판 지지체(125)들을 더 포함할 수 있다.
이와 같은 구성으로 상기 전압센싱 회로기판(200)이 상기 기판 지지체(125)들 사이에 억지 끼움 방식으로 안착되어, 상기 다수의 셀 어셈블리(100)의 외측 표면에 견고하게 고정될 수 있다.
이어서, 도 2 및 도 3과 도 6 내지 도 8을 함께 참조하여, 상기 전압센싱 회로기판(200)에 의한 다수의 셀 어셈블리(100)들 간의 직렬연결 및 전압 센싱 구조를 자세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 전압센싱 회로기판(200)은 미리 결정된 위치마다 상기 제1 및 제2 메탈 플레이트(130,140)의 아웃파트(132,142)가 통과하도록 두께 방향으로 형성된 한 쌍의 관통홀(220)들을 더 구비한다. 여기서 상기 미리 결정된 위치는 상기 전압센싱 회로기판(200)을 다수의 셀 어셈블리(100)에 부착했을 때, 조립된 셀 하우징(120)들의 경계 영역으로서 각 셀 하우징(120)에서 제1 메탈 플레이트(130)또는 제2 메탈 플레이트(140)의 아웃파트(132,142)가 수직하게 연장되는 곳에 대응하는 위치라 할 수 있다. 그리그 상기 직렬 연결부재(210)는 이러한 한 쌍의 관통홀(220)의 둘레를 감싸도록 중심부가 뚫려있는 금속 플레이트 형태로 상기 전압센싱 회로기판(200)에 일면에 실장되게 마련될 수 있다.
상기 다수의 셀 어셈블리(100)에 있어서, 각 셀 하우징(120)의 제1 및 제2 메탈 플레이트(130,140)는 각각 상기 한 쌍의 관통홀(220)을 통해 전압센싱 회로기판(200)에 접속할 수 있다.
예컨대, 도 3의 ③번 셀 어셈블리(100)에서 1열의 제1 메탈 플레이트(130)의 아웃파트(132)와 ④번 셀 어셈블리(100)에서 1열의 제2 메탈 플레이트(140)의 아웃파트(142)는 각각 제1 전압센싱 회로기판(200A)의 한 쌍의 관통홀(220)을 연직 상방향으로 수직하게 통과하고 그 끝단부들이 서로 반대 방향으로 절곡 변형되어 직렬 연결부재(210)에 고정 결합될 수 있다. 이에 따라 ③번 셀 어셈블리(100)의 1열의 전지셀(110)들과 ④번 셀 어셈블리(100)의 1열의 전지셀(110)들이 전기적으로 직렬 연결된다.
그리고 위와 반대로, ③번 셀 어셈블리(100)에서 2열의 제2 메탈 플레이트(140)의 아웃파트(142)와 ④번 셀 어셈블리(100)에서 2열의 제1 메탈 플레이트(130)의 아웃파트(132)가 각각 제2 전압센싱 회로기판(200B)의 한 쌍의 관통홀(220)을 연직 하방향으로 수직하게 통과하고 그 끝단부들이 서로 반대 방향으로 절곡 변형되어 직렬 연결부재(210)에 고정 결합될 수 있다. 이에 따라 ③번 셀 어셈블리(100)의 2열의 전지셀(110)들과 ④번 셀 어셈블리(100)의 2열의 전지셀(110)들이 전기적으로 직렬 연결된다. 이때, 상기 아웃파트(132,142)들과 직렬 연결부재(210)는 스팟 저항 용접 방식으로 결합될 수 있다.
이와 같은 방식으로 같은 셀 어셈블리(100)에서 2개씩 병렬 연결된 전지셀(110)들은 다른 셀 어셈블리(100)에서 2개씩 병렬 연결된 전지셀(110)들과 직렬 연결될 수 있다. 그리고 ⑤번 셀 어셈블리(100)처럼 가장 마지막에 배치되는 셀 하우징(120) 내의 1열 전지셀(110)들과 2열 전지셀(110)들을 사각 형태의 메탈 플레이트(150)로 간단하게 연결함으로써 각 셀 어셈블리(100)들의 1열과 2열의 전지셀(110)들이 전체적으로 직렬 연결될 수 있다.
한편, 배터리 팩(10)은 뱅크 간 전압 차이가 동등 수준으로 유지되어야 성능을 만족하기 때문에 상시로 전압을 측정해야 한다. 이를 위해 본 발명에 따른 상기 전압센싱 회로기판(200)은, 각 직렬 연결부재(210)들이 실장된 곳에서 도체 패턴(230)을 빼서 해당 부분의 전압을 측정할 수 있게 구성될 수 있다. 이러한 전압센싱 회로기판(200)으로는 도체 패턴(230)들이 양쪽면에 구성되는 양면 인쇄회로기판 또는 기판의 내층에도 도체 패턴(230)이 구성되는 다층 인쇄회로기판이 채용될 수 있다.
BMS 어셈블리(300)는 BMS 회로기판(310)과, 상기 BMS 회로기판(310)에 실장되는 커넥터(320), 그리고 이들을 수용하는 BMS 하우징(330)을 포함할 수 있다. 상기 BMS 어셈블리(300)는 전술한 다수의 셀 어셈블리(100)의 일측 끝단부에 연속해서 조립되게 마련될 수 있다. 이를테면, BMS 하우징(330)의 일면에는 전술한 셀 하우징(120)의 제1 조립부(123) 또는 제2 조립부(124)와 억지 끼움되는 연결부(331)가 구비될 수 있다. 또한, 상기 연결부(331)는 롱 샤프트(500)의 단부가 스크류 체결될 수 있게 내측에 나사산이 구비될 수 있다.
상기 전지셀(110)들의 뱅크 간 전압 값들은 상기 전압센싱 회로기판(200)을 매개로 BMS 회로 기판(310)에 전송되어 각 전지셀(110)들의 전압이 항시 모니터링되고 이상이 있을시 각 전지셀(110)들의 충방전이 제어될 수 있다.
상기 전압센싱 회로기판(200)과 상기 BMS 회로기판(310) 간의 연결 수단으로는 좁은 공간에도 적용이 용이한 FFC 케이블 커넥터가 사용될 수 있다. 상기 FFC 케이블 커넥터의 대안으로는 기판과 기판을 직접 연결하는 보드 투 보드(board to board) 방식이 채용될 수도 있을 것이다.
이어서, 상술한 바와 같이 하나의 몸체로 길이 방향을 따라 연속해서 조립되는 다수의 셀 어셈블리(100), 전압센싱 회로기판(200) 그리고 BMS 어셈블리(300)를 안정적이고 컴팩트하게 수납하기 위한 팩 케이스(400) 구조에 관해 설명하기로 한다.
도 1, 도 8 내지 도 9를 함께 참조하면, 본 발명에 따른 다수의 셀 어셈블리(100)는 대칭되는 양쪽 측면부에 오목하게 만입된 오목부(126)를 더 구비한다. 단위 셀 하우징(120)은 전술한 기판 지지체(125)들이 구비되는 상단부와 하단부를 연결하는 양쪽 측면부가 오목하게 만입된 형태로 마련되고, 이러한 단위 셀 하우징(120)들이 길이 방향을 따라 연속해서 조립됨으로써 상기 오목부(126)가 연속적으로 이어질 수 있다.
본 발명에 따른 팩 케이스(400)는 원통 형상으로 마련되는 미들 케이스(410)와 상기 미들 케이스(410)의 상단과 하단을 각각 커버하는 바틈 커버(420)와 탑 커버(430)를 포함한다. 상기 미들 케이스(410)는 압출 방식으로 성형될 수 있다.
특히, 상기 미들 케이스(410)는 상기 오목부(126)에 대응하는 삽입 가이드부(412)를 내부에 구비할 수 있다. 상기 삽입 가이드부(412)는 미들 케이스(410)의 내측 벽면으로부터 돌출되고 팩 케이스(400)의 길이 방향을 따라 길게 연장되는 형태로 마련될 수 있다.
상기 다수의 셀 어셈블리(100)는 상기 오목부(126)와 팩 케이스(400)의 삽입 가이드부(412)를 끼워 맞춘 상태에서 길이 방향(X축 방향)대로 밀어 넣음으로써 팩 케이스(400) 속에 삽입될 수 있다. 이 같은 구성에 의하면, 팩 케이스(400) 속에 다수의 셀 어셈블리(100)를 손상 없이 쉽게 넣을 수 있을 뿐만 아니라 수납시킨 후에도 다수의 셀 어셈블리(100)들이 상기 삽입 가이드부(400)에 의해 양쪽 측면부가 고정될 수 있으므로 팩 케이스(400) 내부에서 유동이 억제될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 복수 개의 전지셀(110)들 간의 병렬 및 직렬연결 그리고 뱅크 간의 전압 센싱을 위한 조립 구조가 최소한의 부품들로 간단하게 구현될 수 있어, 배터리 팩의 제조 비용을 절약하고 조립 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 다수의 셀 어셈블리(100), 전압센싱 회로기판(200), BMS 어셈블리(300)들이 상호 간 견고하면서도 공간 효율적으로 배치될 수 있어 전체적으로 내충격성이 우수하며 컴팩트하고 슬림한 배터리 팩(10)이 제공될 수 있다.
한편, 상술한 본 발명에 따른 배터리 팩은 전기 퀵 보드, 전기 스쿠터, 전기 자동차에 적용될 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
한편, 본 명세서에서는. 상, 하, 좌, 우 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.
100: 셀 어셈블리 110: 전지셀
120: 셀 하우징 121: 제1 하우징
122: 제2 하우징 123: 제1 조립부
124: 제2 조립부 130: 제1 메탈 플레이트
140: 제2 메탈 플레이트 200: 전압센싱 회로기판
210: 직렬 연결부재 220: 관통홀
300: BMS 어셈블리 400: 팩 케이스
412: 삽입 가이드부 500: 롱 샤프트

Claims (15)

  1. 전지셀들과 상기 전지셀들을 수용하는 셀 하우징 그리고 양극 터미널을 형성하는 제1 메탈 플레이트와 음극 터미널을 형성하는 제2 메탈 플레이트를 각각 구비하며, 길이 방향을 따라 상호 조립되어 연속적으로 배열되는 다수의 셀 어셈블리;
    어느 하나의 셀 어셈블리의 제1 메탈 플레이트와 다른 셀 어셈블리의 제2 메탈 플레이트와 접촉하는 직렬 연결부재를 구비하고, 길이 방향을 따라 상기 다수의 셀 어셈블리의 외측 표면에 일체로 부착되는 전압센싱 회로기판; 및
    상기 다수의 셀 어셈블리의 일측 끝단부에 연속해서 조립되고 상기 전압센싱 회로기판과 연결되는 BMS 어셈블리를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압센싱 회로기판은 미리 결정된 위치마다 상기 제1 및 제2 메탈 플레이트가 통과하도록 두께 방향으로 형성된 한 쌍의 관통홀들을 더 구비하고,
    상기 직렬 연결부재는 상기 한 쌍의 관통홀의 둘레를 감싸며 상기 전압센싱 회로기판의 일면에 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 직렬 연결부재는 중심부가 뚫려있는 금속 플레이트 형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리의 제1 및 제2 메탈 플레이트는,
    상기 셀 하우징의 내부에서 적어도 2개의 전지셀들의 동일 극성의 전극단자와 일체로 접촉하는 인너파트;와 상기 인너파트에서 상기 셀 하우징의 내외로 연장되어 상기 직렬 연결부재와 접촉하는 아웃파트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 아웃파트는 상기 관통홀을 수직하게 통과하고 그 끝단부가 절곡 변형되어 상기 직렬 연결부재에 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리의 셀 하우징은 내부 공간에 적어도 4개 이상의 전지셀들을 복열 구조로 수용하고, 1열의 전지셀들과 2열의 전지셀들은 극성이 서로 반대이게 배치되며,
    상기 제1 메탈 플레이트는 상기 1열 및 2열의 전지셀들의 양극 단자와 접촉하도록 상기 셀 하우징의 1열과 2열에 하나씩 2개가 구비되고,
    상기 제2 메탈 플레이트는 상기 1열 및 제2열의 전지셀들의 음극 단자와 접촉하도록 상기 셀 하우징의 1열과 2열에 하나씩 2개가 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전압센싱 회로기판은 2개를 한 쌍으로 상기 다수의 셀 에셈블리의 상부 표면과 하부 표면에 각각 부착되는 제1 전압센싱 회로기판과 제2 전압센싱 회로기판을 포함하고,
    상기 셀 하우징의 1열에 구비되는 제1 및 제2 메탈 플레이트는 상기 제1 전압센싱 회로기판에 접속하고, 상기 셀 하우징의 2열에 구비되는 제1 및 제2 메탈 플레이트는 상기 제2 전압센싱 회로기판에 접속하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 셀 어셈블리에 일체로 연결되어 상기 다수의 셀 어셈블리를 하나의 몸체로 조립하는 롱 샤프트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리의 셀 하우징에는 상기 롱 샤프트가 통과하는 샤프트 통과홀이 중앙 영역을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전지셀들은 원통형 전지셀들이며,
    상기 셀 하우징은,
    상기 전지셀들의 일부분을 감싸는 제1 하우징;과 상기 제1 하우징과 조립 및 분해 가능하고 상기 전지셀들의 나머지 부분을 감싸는 제2 하우징;을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 하우징은, 내측에 상기 샤프트 통과홀과 나란하게 상기 전지셀들을 길이 방향으로 개별적으로 삽입시킬 수 있는 복수 개의 소켓부들을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 셀 어셈블리의 셀 하우징은 길이 방향에 따른 일면과 타면에 각각 제1 조립부와 제2 조립부를 구비하고,
    상기 제1 조립부는 상기 샤프트 통과홀의 외측에 원주 방향을 따라 돌출 형성되는 제1 환형 부재와 상기 제1 환형 부재의 내측으로 연장되는 회전방지부재를 포함하고,
    상기 제2 조립부는 상기 제1 환형 부재보다 작은 직경을 가지고 상기 샤프트 통과홀의 외측에 둘레 방향을 따라 불연속적으로 돌출 형성되는 제2 환형 부재를 포함하며,
    어느 하나의 상기 셀 하우징의 제1 환형 부재 내측에, 다른 하나의 상기 셀 하우징의 제2 환형 부재가 억지 끼움 결합되고, 상기 회전방지부재와 상기 제2 환형 부재가 시계 또는 반시계 방향으로 걸림 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 셀 어셈블리들 각각은,
    서로 상기 전압센싱 회로기판의 폭만큼의 이격 거리를 두고 상기 셀 어셈블리의 외측 표면으로부터 돌출되어 상기 전압센싱 회로기판의 양측부를 지지하는 기판 지지체들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 셀 어셈블리, 상기 전압센싱 회로기판, 상기 BMS 어셈블리를 길이 방향을 따라 삽입하여 배치시킬 수 있는 팩 케이스를 더 포함하고,
    상기 다수의 셀 어셈블리는 대칭되는 양쪽 측면부에 오목하게 만입된 오목부를 구비하고,
    상기 팩 케이스는 상기 오목부에 부분적으로 삽입되게 상기 팩 케이스의 내측 벽면에서 돌출되고 상기 팩 케이스의 길이 방향을 따라 연장 형성되는 삽입 가이드부을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 퀵 보드.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 전기 스쿠터.
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