KR20210131607A - 배터리 모듈용 모니터링 장치와 이를 구비하는 전기자동차 배터리 모듈 - Google Patents

배터리 모듈용 모니터링 장치와 이를 구비하는 전기자동차 배터리 모듈 Download PDF

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Abstract

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기자동차용 배터리 모듈 모니터링 장치는 자체적으로 잘 변형될 수 있는 특성을 가져 굽히거나 휨에 의해 3차원 배선이 용이한 FPCB 내에 셀 전압 모니터링 단자 및 온도 모니터링 단자를 한꺼번에 포함하도록 일체적으로 구성하고, 이러한 FPCB를 배터리 모듈의 각 배터리 셀과 연결하여 BMS와의 연결을 위한 도선의 일부로서 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 기존의 배터리 모듈 내의 설치공간을 많이 차지하던 케이블을 FPCB 내의 도선 패턴으로 대체하면서 FPCB 내에 셀전압 모니터링을 위한 단자와 셀 온도 모니터링을 위한 써미스터 등 온도 센서를 함께 포함시켜 일체형으로 제작할 수 있으므로 모듈 내의 배선을 간단하고 명확하게 할 수 있고, 부피와 무게를 줄일 수 있고 휨과 절곡이 자유로운 FPCB를 이용하며 모듈 내에서의 배선 방향을 자유롭게 설계할 수 있고 모듈의 사이즈를 소형화 할 수 있다.

Description

배터리 모듈용 모니터링 장치와 이를 구비하는 전기자동차 배터리 모듈{monitoring tool for battery module and battery module for electric vehicle having the same}
본 발명은 전기자동차 배터리에 관한 것으로 보다 상세하게는 전기자동차 배터리 팩 내의 모듈에서 셀의 전압 및 온도를 함께 확인하기에 적합한 구성을 가지는 모니터링 장치 및 이를 채용한 배터리 모듈에 관한 것이다.
자동차 배기가스에 대한 국제 환경규제 강화, 석유의 고갈 가능성, 고유가 지속 등으로 세계 자동차시장은 내연기관 자동차에서 전기자동차로 눈을 돌리고 있다. 특히 순수 전기자동차(EV)는 효과적인 글로벌 온실가스 감축수단이자, 지속가능한 환경을 위한 유력한 대안으로 부상하고 있다. 한편, 연료비 상승에 대한 부담으로 저가 연료 자동차에 대한 소비자들의 선호가 높아짐에 따라 전기 자동차(EV) 및 하이브리드자동차(HEV)등에 대한 판매가 대폭 증가하고 있다. 이에 따라 선진국들은 전기 자동차 보급 정책을 강력하게 추진하고 있다.
따라서 전기자동차를 운영하기 위한 핵심 부품인 배터리의 용량과 효율은 전기자동차의 가장 중요한 관건이 되고, 성능에 따른 주행 가능 거리가 큰 이슈가 되고 있으며, 이로 인해 자동차 제조 회사 및 소비자의 배터리에 대한 관심이 높아지고 있다.
종래 차량 전장용 배터리는 주로 납축전지가 사용되었지만 차량의 동력원으로 사용하기에 납축전지는 무게 및 부피 대비 축적 가능한 전기량, 즉 충전용량이 낮아 전기자동차용 배터리로는 무게 대비 충전용량을 높일 수 있는 리튬 계열의 배터리가 주로 사용되고 있다.
배터리는 기본적으로 화학적 에너지를 전기 에너지와 호환시킬 수 있도록 이루어진 장치이며, 차량의 특성상 충전과 방전이 함께 이루어질 수 있는 이차전지의 사용이 기본적인 전제가 되고 있다.
그런데, 배터리 내부에서 이루어지는 화학 반응은 일반적 화학 반응과 같이 주변 환경 조건의 영향을 받으며, 특히 온도의 영향을 많이 받게 된다. 가령, 이상 반응으로 자체 안정성이 떨어지고 자체 손상이 발생할 수 있는 높은 온도 대역에서는 배터리 자체 손상이 발생하고 차량 화재 등이 유발될 수 있다.
한편, 배터리에서 충전시나 방전시 열이 발생하는 것은 배터리 자체의 음극, 양극, 전해액과 같은 요소를 이루는 화학물질에서의 구조 변화에 기인하는 것도 있지만 주울열과 같이 전류가 흐르면서 이루어지는 열작용에 의한 것에 의한 바가 크다.
간단히 생각할 때 셀을 같은 구조, 재료라고 보고 단순히 크기를 증가시키면 부피와 질량은 같은 비율로 증가하고, 열의 발생은 부피나 질량에 비례한다고 볼 수 있으며, 이는 외형적 크기의 세제곱에 비례하는 양상을 보인다. 한편, 발생된 열의 방출은 셀의 표면을 통해 이루어지며, 열 방출량은 표면적과 온도차 및 시간에 비례하고, 표면적은 크기의 제곱에 비례하는 양상을 보인다. 따라서, 배터리가 커지고 용량이 커지면 일반적으로 발생하는 열은 방출되는 열에 비해 많아지고, 더 높은 온도에서 열발생과 열방출의 균형이 이루어진다.
일반적으로 대용량을 요구하는 차량용 배터리에서 만약 차량의 시간당 출력 요구가 증가하고, 배터리 사이즈 및 충전 용량이 커지면, 배터리에서의 발열량과 방열량의 자연적인 균형점의 온도는 매우 높아져 배터리 자체의 내열 범위를 넘어서는 것이 될 수도 있고, 화재나 폭발을 일으키지 않는 경우라도 배터리의 과열은 셀 내부의 화학물질의 열화, 변성, 가스 발생, 회로 장치의 열화 등으로 배터리 기능 전체의 저하 및 수명 저하를 가져올 수 있다.
이런 대용량 배터리에서의 문제점을 해결하기 위해 배터리에 대한 강제적 냉각을 위한 수단, 방법이 강구되며, 내연기관 엔진과 비슷한 냉각수 순환에 의한 수냉식 냉각, 바람에 의한 공냉식 냉각 수단이 채택될 수 있다. 다른 한편으로 배터리의 온도가 지나치게 높은 경우, 배터리에서의 전기에너지 공급이나 유입을 차단하거나 제한하는 회로적 방법을 사용할 수도 있다.
그런데 이러한 배터리의 냉각이나 충전이나 방전 전류의 제한을 위해서는 배터리의 상태, 정확히는 배터리를 이루는 개개의 셀의 온도 상태를 정확하게 측정할 필요가 있고, 이를 위해 배터리 모듈에서는 개개의 배터리 셀의 온도를 측정하기 위한 온도 센서가 구비되는 경우가 많다.
그런데, 일반적으로 전기자동차용 배터리 팩에서 대용량, 고전압을 위해 다수의 배터리 셀의 전극 단자는 직렬 및 병렬로 결합되어 있고, 셀의 전극 단자에서의 전압을 확인하고 셀 주변에 설치되는 각종 센서나 조절 장치 요소를 조절하고 배터리 상태를 조절하기 위해 셀 및 주변 장치는 배터리 팩의 BMS 등과 다양한 방식으로 연결되는 경우가 많다.
따라서, 배터리 모듈이나 배터리 팩에는 단순히 배터리 전극 단자의 결선 뿐 아니라 다양한 요소 설치와 신호 접속을 위한 액세서리 요소 설치가 많아질 수 있으며, 배터리 팩을 이루는 인클로져와 같은 한정된 공간 내에 가능하면 콤팩트하고 경량이 되도록 설치되어야 하며, 이들 요소와 결선이 복잡하게 서로 얽히면 이들 요소의 상호간의 간섭에 의해 고장 및 불량의 문제가 생기기 쉽고, 배터리의 제조와 유지 수선과 같은 보수 작업, 교체 작업을 어렵게 하는 요인이 될 수 있다.
보다 구체적인 예시로서, 배터리 팩에서 각 셀의 전압과 온도 상태를 모니터링하는 최소단위의 모듈은 셀을 보호하고 고정하는 하우징과 전기적인 결선을 위한 터미널, 그리고 이를 고정하는 스터드 볼트 등을 구비한 상태로, 외부 환경에 대한 보호를 제공하기 위하여 소정 체적의 인클로져 혹은 하우징 내부에 조립된다.
리튬 이온 배터리 모듈은 다수의 셀이 적층된 구조로서, 각 셀의 전압과 온도가 정상 상태에 있는지를 확인하기 위하여 통상적으로 셀전압 모니터링 단자 및 온도 모니터링을 위한 센서 등의 수단과 이와 관련된 배선이 모듈 외부에 설치되어 있다.
리튬 이온 배터리 모듈 모니터링 단자는 모듈 측면에 장착되어 셀의 터미널과 접촉하는 부분과, 접촉부의 견고한 조립 상태 유지를 위한 압착 바터미널과 스터드 볼트 그리고 FPCB 커넥터에 의하여 연결되는 모니터링 보드를 포함하여 구성된다.
그러나, 종래의 모니터링 단자들에 있어서, 셀전압 모니터링 단자에서 외부로 연장되는 모니터링 케이블과 온도 모니터링을 위한 센서에서 나오는 신호 배선의 설치 공간이 많이 필요하고, 또한 케이블을 외부로 빼내는 배선 경로가 매우 복잡해지는 문제점이 있다.
다시 말하자면 셀전압과 온도를 측정하기 위한 케이블은 가령 20개 이상의 신호선으로 구성되기 때문에 차지하는 공간이 크고, 또한 배선 경로에 대한 설계 자유도가 떨어져 모듈 외부에 케이블이 뒤엉킨 상태로 복잡하게 설치되어 단선 등의 위험이 존재하게 된다.
또한, 모듈 외부에 고정되는 케이블의 정렬 상태가 불안정하여, 결선 상태가 양호하지 못한 단점이 있다.
대한민국등록특허 제10-1868610호 대한민국등록특허 제10-1826895호
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존에 설치공간을 많이 차지하던 케이블 방식을 배제하고, 셀전압 모니터링을 위한 배선 방향을 자유롭게 설계할 수 있고 모듈의 사이즈를 소형화 할 수 있는 구성을 가지는 리튬 이온 배터리 모듈의 셀전압 및 온도 모니터링 장치 및 이를 구비하는 전기자동차 배터리 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기자동차 배터리 모듈용 모니터링 장치는 자체적으로 잘 변형될 수 있는 특성을 가져 굽히거나 휨에 의해 3차원 배선이 용이한 FPCB 내에 셀 전압 모니터링 단자 및 온도 모니터링 단자를 한꺼번에 포함하도록 일체적으로 구성하고, 이러한 FPCB를 배터리 모듈의 각 배터리 셀과 연결하여 BMS와의 연결을 위한 도선의 일부로서 사용하는 것을 특징으로 한다.
이때, 하나의 FPCB 내에 셀 전압 모니터링 단자와 온도 모니터링 단자 위치를 정하고 배열시키는 것은 모듈 내에서 셀을 배열하고 셀 내에서 전극 단자의 위치 및 셀 온도 측정의 위치를 정하는 방식에 따라 이루어지며, 상당 부분에서 주기적 배열의 형태를 이룰 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명의 전기자동차 배터리 모듈용 모니터링 장치는,
물리적으로 서로 겹쳐지는 복수의 이차전지 셀과, 이차전지 셀을 고정하는 기구물(프레임)과, 셀을 전기적으로 서로 결합시키고 전력을 인출하기 위한 배선 및 전기 신호를 유통하기 위한 배선을 포함하는 회로부를 구비하여 이루어지는 전기자동차용 배터리 모듈에서 셀의 전압 및 온도를 확인하기 위한 배터리 모듈용 모니터링 장치로서,
상기 회로부의 일부를 이루면서, 셀 전압을 확인하기 위하여 셀의 단자와 연결되는 전압 측정용 단자와, 셀과 전기적으로 절연되고 열적으로 전열되도록 셀과 밀착되어 셀 온도에 따른 전기신호를 발생시키는 온도센서의 온도 측정용 단자가 함께 구비되는 연성인쇄회로기판(FPCB)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 온도센서로는 써미스터를 사용할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기자동차용 배터리 모듈은,
물리적으로 서로 겹쳐지는 복수의 이차전지 셀과, 이차전지 셀을 고정하는 기구물과, 셀을 전기적으로 서로 결합시키고 전력을 인출하기 위한 배선 및 전기 신호를 유통하기 위한 배선을 포함하는 회로부를 구비하여 이루어지는 전기자동차용 배터리 모듈로서,
상기 회로부의 일부를 이루면서 개별 셀 전압을 확인하기 위한 모니터링 장치로서, 셀의 전극 단자와 연결되는 전압 측정용 전기단자와, 개별 셀과 전기적으로 절연되고 열적으로 전열되도록 셀과 밀착되어 셀 온도에 따른 전기신호를 변화시키는 온도센서가 함께 구비되는 연성인쇄회로기판(FPCB)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 각각의 배터리 셀은 각형 혹은 파우치형 이차전지로 이루어지며, 주변이 프레임으로 고정된 상태로 대면적면이 열전도체 플레이트를 매개로 겹쳐져 쌍을 이루고, 복수의 쌍이 대면적면이 서로 겹치도록 배치되고, 상기 프레임을 이용하여 서로 고정된 상태를 이루며,
적어도 한 쌍마다 베터리 셀의 전극 단자가 형성된 측면에 대응하는 프레임의 일 측에는 스터드가 설치되고, 한 쌍을 이루는 셀의 전극 단자들은 공히 스터드 주변에서 배치되고, FPCB의 스터드 대응부에는 스터드홀이 설치되고, 전압 측정용 전기 단자는 상기 스터드가 통과하는 상기 스터드홀 주변으로 배치되고,
프레임은 써미스터에 대응되는 일 부분이 제거되어 베터리 셀의 전극 단자가 형성된 측면의 일부를 노출하도록 형성되어,
FPCB의 스터드홀로 스터드를 통과시키고 스터드를 고정수단으로 결속시킬 때(나사로 죌 때) 셀의 노출된 측면 일부는 FPCB의 써미스터와 접하고, FPCB의 전압 측정용 전기 단자는 한 쌍을 이루는 셀의 전극 단자들과 겹치면서 전기적으로 접속하도록 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면 기존의 배터리 모듈 내의 설치공간을 많이 차지하던 케이블을 FPCB 내의 도선 패턴으로 대체하면서 FPCB 내에 셀전압 모니터링을 위한 단자와 셀 온도 모니터링을 위한 써미스터 등 온도 센서를 함께 포함시켜 일체형으로 제작할 수 있으므로 모듈 내의 배선을 간단하고 명확하게 할 수 있다.
본 발명에 따르면 배터리 모듈 내의 배선에 케이블에 비해 부피와 무게를 줄일 수 있는 FPCB를 이용하며, FPCB 자체의 비교적 휨과 절곡이 가능한 속성을 이용할 수 있으므로, 모듈 내에서의 배선 방향을 자유롭게 설계할 수 있고 모듈의 사이즈를 소형화 할 수 있다.
따라서 본 발명은 리튬 이온 배터리 모듈의 셀전압 및 온도 모니터링 함에 있어서 관련 장치 및 이를 구비한 배터리 모듈을 간단하고 소형, 경량화를 할 수 있으며, 배선에 의한 혼돈과 배선 간의 간섭으로 인한 불량 가능성을 줄일 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에서의 전압 측정용 단자 형상을 나타내는 평면도,
도2는 본 발명의 일 실시예에서의 온도 측정용 써미스터 소자와 이 소자에 연결된 배선 단자를 나타내는 평면도,
도3은 전기자동차용 배터리 모듈의 셀 전압 및 온도 모니터링 장치의 일 실시예를 나타내는 평면도 및 저면도,
도4는 전기자동차용 배터리 모듈의 셀 전압 및 온도 모니터링 장치의 다른 실시예를 나타내는 평면도 및 저면도,
도5는 본 발명의 일 실시예의 장치와 배터리 모듈의 결합 형태를 나타내는 일부 분해 사시도,
도6은 본 발명의 다른 실시예의 장치가 배터리 모듈의 결합 형태를 나타내는 일부 분해 사시도,
도7는 본 발명의 배터리 모듈이 2개 결합되어 이루어지는 배터리 서브 팩에서 본 발명 장치와 R-LEC(Remote Lithium-ion Energy Controler)의 결합 형태를 나타내는 사시도,
도8은 도7에서 본 발명 장치의 두 실시예를 한정하여 나타내되, 두 실시예의 커넥터를 복열의 1개의 커넥터로 결합시킨 상태를 나타내는 사시도이다.
이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예(A타입)에 따른 셀전압 및 온도 모니터링 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도(앞면) 및 저면도(뒷면), 도4는 도3과 다른 형태의 것으로, 본 발명의 다른 실시예(B타입)에 따른 FPCB 셀전압 및 온도 모니터링 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도(앞면) 및 저면도(뒷면)이며,
도 5, 6는 각각 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 셀전압 및 온도 모니터링 장치가 리튬 이온 배터리 모듈 내에서 각 셀 부분과 접속되는 형태를 나타내는 분해사시도이다.
도 3 및 도4를 참조하면, 본 실시예들에서 본 발명의 장치는 단자들과 단자들에서 인출되는 배선들을 구비하는 FPCB(503, 603)와, 이 FPCB에서 그 배선들의 단부가 모이는 접속부(암커넥터 조립부: 303, 403) 위치에 결합되는 암커넥터(504, 604)를 구비하여 이루어진다.
FPCB는 크게 단자들이 형성되고 단자에서 배선이 인출되는 단자형성부와, 배선들만 모여서 연장되는 연결부를 구비하고, 그 연결부의 끝단(암커넥터 조립부)은 장치 외부와의 연결을 위한 암커넥터가 설치된다.
단자들이 설치되고 배열되어 있는 단자형성부에서 다수의 FPCB 터미널, 가령 도1과 같은 전압 측정용 단자(101, 301, 401)는 FPCB 길이 방향을 따라 소정 간격으로 형성되고, 도2에 도시된 것과 같은 셀 온도 측정용 써미스터 소자(201, 302, 402)가 설치되는 FPCB 터미널도 길이 방향으로 배열되어 있다. 유효한 전압 측정용 단자(101)와 써미스터 소자(201)에서는 FPCB 내에서 도선을 이루는 도전 패턴이 수직 방향으로 인출되어 서로 모여 평행선을 이루면서 수평한 길이 방향으로 연장된다.
연결부는 단자형성부에서 길이 방향으로 연장되는 수평부분과, 수직방향으로 꺾여 연장되는 수직부분(304, 404)을 가지고, 수직부의 끝단에는 암커넥터가 설치됨을 볼 수 있다. 여기서 암커넥터(504, 604)는 복수 핀을 가진 신호 전달 기능을 가지는 커넥터이다.
단, 도3에서는 단자형성부의 중간을 지나는 수평선 위쪽의 전압 측정용 단자(101, 301, 40)에만 배선이 연결되고, 도4에서는 단자형성부의 중간을 지나는 수평선 아래쪽의 전압 측정용 단자에만 배선이 연결된 것을 볼 수 있으며, 이는 미리 전압 측정용 단자를 충분한 수로 적당한 위치에 설치하고, 필요에 따라 배선 디자인을 하여 FPCB를 만들어 사용할 수 있도록 한 것으로, 필요에 따라 배선을 바꾸어 사용할 수 있으므로 한정 조건은 아니다.
도1을 보면, 스터드 홀(102)이 결합되는 홀 주변으로 전압 측정용 단자가 설치되며, 주변과 절연된 상태로 배선과 연결된 형태와 주변과 완전히 절연되지 않은 공통 상태의 단자가 있어서 두 종류의 전극 단자와 연결이 가능한 형태를 띄고 있으며, 구성 상황에 맞게 단자를 선택하여 사용할 수 있다.
도2와 같은 써미스터 소자는 온도에 따라 기전력을 달리하는 소자 등으로 이루어질 수 있으며, 소자의 일단에 하나의 배선이 연결되고, 다른 일단은 주변과 공통으로 연결되어 전위차가 배선과 주변 사이에서 검출될 수 있다. 이는 하나의 예시적이 것이며 구체적 구성은 기존에 알려진 써미스터 소자에 맞게 이루어질 수 있다. 써미스터 소자는 FPCB에 SMD 형태로 결합되어 본 발명 장치를 구성할 수 있고, 경우에 따라 FPCB 주변의 표면으로부터 돌출된 부분을 이루어 셀 온도 감지를 위해 셀 부분과 접촉할 때 특정 부분에 쉽게 밀착되도록 이용될 수 있다.
이런 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)를 형성하면, 길이 방향으로 절곡하여 단자형성부의 길이 방향을 X축, 연결부의 수평 부분을 Y축, 연결부의 수직 부분을 Z축으로 생각하여 단독으로 3차원 배선이 가능하고, 케이블 도선에 비해 기기의 소형화 및 경량화가 가능하며, 또한 반복굴곡을 주면서 높은 내구성 및 고밀도 배선이 가능하며, 배선의 오류가 없고 조립이 양호하여 신뢰성이 높은 회로를 구성할 수 있다.
더욱이, 전압 측정용 단자와 온도 측정용의 써미스터 소자가 하나의 FPCB를 형성할 때 함께 형성되어 전압 측정용 단자를 위한 케이블과 온도 측정용 써미스터 소자를 위한 신호 케이블을 별도로 구성하여 케이블 사이의 복잡하게 얽히는 것을 방지할 수 있다.
FPCB의 끝단부에 형성되는 복수의 핀을 가진 신호 전 달용 암커넥터(303, 403)는 그 길이 방향을 따라 수직 방향으로 조립되고, 암커넥터(303,403)의 폭 규격은 FPCB 배선 경로를 확보하는 수준 즉, FPCB의 폭보다 다소 큰 수준이 되도록 할 수 있다(참조번호 304, 404 참조). FPCB로는 필요에 따라 단자 및 패턴이 한 면에 한정되는 단면 FPCB 또는 양 면에 함께 설치되는 양면 FPCB를 사용 할 수 있다.
도5 및 도6을 통해 셀전압 및 온도 모니터링 FPCB 장치가 리튬 이온 배터리 모듈 내에서 설치되는 형태를 살펴보면, FPCB(503, 603)의 표면에 구비된 전압 측정용 단자(101)들은 셀의 전극 단자, 즉 셀 터미널(505, 605)들에 밀착되어 연결된다.
셀의 전극 단자 설치 방식, 모듈을 이루는 셀의 숫자 등을 고려하여 하나의 모듈에 셀전압 및 온도 모니터링 장치를 한쪽 측면에만 설치하거나, 대향하는 양쪽 측면으로 설치할 수 있다.
모듈의 각 측면에 본 발명의 모니터링 장치를 설치할 때, 두 개 이상의 FPCB 장치를 사용하여 모듈 측면에서 셀 터미널(505, 605)과 조립 시, 동일한 형태를 가지는 FPCB, 가령 A타입 혹은 B타입만 사용하는 경우, 조립 실수로 잘못된 위치로 삽입이 되면 전압 측정오류, 고전압 차이에 의한 R-LEC(Remote Lithium-ion Energy Controler) 손상 및 화재가 발생할 수 있다.
따라서, 도3 및 도4에 도시된 바와 같이 셀 어셈블리의 프레임에 있는 스터드 볼트(502, 602)가 조립되는 FPCB의 스터드 홀(102)의 배열을 다르게 형성하여, A타입 FPCB와 B타입 FPCB가 서로 매칭되지 않도록 함으로써, FPCB의 오삽입에 따른 문제을 억제하거나 예방할 수 있다.
또한, 두 개 이상의 FPCB의 사이즈를 달리하여 오삽입을 방지하는 방법도 대체적으로 사용할 있다.
온도 측정을 위한 써미스터 소자(201)와 셀 터미널(505, 605)의 직접적인 접촉상태는 써미스터 소자(201)의 불량과 발화를 유발 할 수 있으므로 소정의 간격을 가지고 있으며, 실리콘 충진재를 도포하여 단락을 방지하고 셀 온도의 확실한 전달을 보장 할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명에 따른 리튬 이온 배터리 모듈 2개가 결합되어 배터리 서브팩을 이루고, 이때 모듈 내의 셀전압 및 온도 모니링 장치가 연결용 커넥터를 통하여 서브팩 상부의 R-LEC(Remote Lithium-ion Energy Controler)에 연결되는 형태를 나타내는 사시도이다.
이를 위해 모듈은 별도 인클로져 혹은 케이스에 수용될 수 있고, 혹은 주변 측면을 보호하는 패널이나 브라케트와 결합될 수 있다. 모듈의 위쪽을 커버하는 상부 커버 위쪽에는 모듈의 암커넥터와 결합될 수 있는 R-LEC가 위치하는 것을 볼 수 있고, 이는 BMS와 연결을 위한 중간 매개부가 될 수 있다. 두 모듈의 R-LEC는 필요한 방식으로 서로 도선으로 연결될 수 있다.
상부 커버에는 각 모듈의 FPCB 끝단 부분과 암커넥터가 통과할 수 있는 슬릿 혹은 홀이 형성되어 있다.
도8은 도7에서 하나의 모듈과 결합된 두 모니터링 장치 및 그 것의 R-LEC와의 결합을 위한 배치 형태가 도시된다. 이런 형태는 도5 및 도6과 같이 하나의 배터리 모듈에서 연결되어 있는 두 FPCB 타입 모니터링 장치가 각각 절곡되어 3차원으로 모듈과 접하게 배치된 후 그 연결부 수직 부분에서 겹치게 배치되고 끝단 부분에서 암커넥터가 복층을 이루도록 배열되고 이 상태로 수커넥터 형태의 접속부를 가지는 R-LEC와 결합되는 예시적 형태를 보여준다. 여기서 복수개의 핀을 가진 신호 전달용 암커넥터는 복열로 조립되며, 각 열의 신호 전달용 암커넥터 사이즈는 FPCB의 배선 경로를 확보하는 수준으로 정해진다.
이와 같이, 리튬 이온 배터리 모듈의 셀전압 및 온도 모니터링을 위한 회로 구성을 함에 있어서 셀과 커넥터 사이의 인터페이스를 FPCB로 구성함으로써, 기존의 케이블에 비하여 단순하면서도 컴팩트한 연결 구조를 이루게 되어, 내전압 및 내트래킹성을 향상시킬 수 있고, 셀전압 측정의 정확도를 높일 수 있다. 특히, 반복굴곡이 가능하고, 높은 내구성 및 고밀도 배선이 가능하여, 배선 자유도가 우수한 FPCB를 이용함으로써, 기존에 케이블이 뒤엉킨 상태로 복잡하게 설치되어 단선 등의 위험이 존재하던 점을 방지 할 수 있다
한편, 도5 및 도6에서 본 발명의 모니터링 장치에 결합되는 모듈의 구성을 예시적으로 좀 더 살펴보면,
배터리 모듈을 형성함에 있어서 셀은 부피나 무게 대비 용량을 높일 수 있도록 리튬을 이용한 이차전지 셀을 주로 사용하며, 여기서는 파우치 셀의 얇은 실링부 혹은 주변부를 4각틀 형태의 프레임에 결합시켜 셀 어셈블리를 만들어 사용하고 셀 어셈블리는 셀의 넓은 면을 서로 마주보게 겹치도록 설치한다. 한 쌍을 이루는 셀과 셀 사이에는 알루미늄 판 등의 열전도체 히트 싱크를 설치하여 셀 가열이나 냉각에 사용할 수 있도록 한다.
복수 프레임을 관통하는 나사 등으로 복수 셀과 열전도체가 가령 좌우 방향으로 겹쳐진 상태로 고정이 되도록 하며, 여기서 사용하는 파우치 셀은 두 전극 단자(셀 터미널: 505, 605)가 서로 반대 측변으로 가령 파우치 셀의 전후 방향으로 설치되어 프레임 사이의 공간으로 노출된다.
프레임에는 스터드 볼트(602)가 형성되고, 한 쌍을 이루는 셀의 같은 극성의 전극 단자는 스터드 볼트를 피해 프레임 위로 서로 겹치도록 절곡되어 외부로 노출된다.
스터드 볼트(602) 위치에 홀이 형성된 제1 알미늄 플레이트가 셀 터미널 혹은 전극 단자 위로 적층되고 그 위로 전압 측정용 전기단자와 온도 측정용 센서인 써미스터가 설치된 FPCB 장치가 적층되고, 다시 그 위로 스터드 볼트 위치에 홀이 형성된 제2 플레이트 혹은 압착탭(606)이 적층된다.
스터드 볼트에 너트(607)를 결합시키고 너트를 조여 스터드 볼트를 가진 프레임, 제1 알미늄 플레이트, FPCB, 제2 플레이트를 밀착시킨다.
이때 전압 측정용 단자는 홀 주변에 형성되어 스터드 볼트(602) 주변에 있는 파우치셀의 한 셀 터미널(전극 단자)과 전기적으로 접속되고, FPCB의 온도 측정용 센서(써미스터 소자:201)는 노출된 셀의 일부 표면과 밀착된다. 즉 써미스터는 제1 알미늄 플레이트에 닿지 않고, 프레임의 제거된 부분을 통해 드러난 셀 표면 일부와 접하게 된다. 단, 셀 표면 일부에는 전기적으로 부도체이고 열전도성은 뛰어난 점착물질층 혹은 점착층 테이프가 도포되어 드러난 셀 표면 일부와 안정적으로 결합되면서 셀 온도를 써미스터가 인식하도록 한다.
써미스터는 주로 반도체의 온도에 따른 저항 변화를 이용하는 것이며 온도에 따라 써미스터와 접속된 FPCB 내의 전기 도선에서 변화하는 전기 신호를 전달하므로 온도 변화를 확인할 수 있게 된다.
써미스터와 연결된 배선, 즉 전기도선 및 전압 측정용 단자와 연결된 전기도선은 FPCB 일단에 형성된 암형 커넥터와 연결되어 외부로 전기 신호를 인출시킬 수 있다.
암형 커넥터는 배터리 모듈의 커버 혹은 하우징 외부에 설치된 모듈 회로부 R-LEC를 통해 배터리 팩의 BMS와 연결되고 BMS에 필요한 센싱 정보를 전달하고 BMS의 제어 신호를 받을 수 있다.
이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다.
따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
101, 301, 401 : 전압 측정용 단자
102 : 스터드 홀
201, 302, 402 : 써미스터 (써미스터 소자)
303, 403 : 암커넥터 조립부
501, 601, 701 : 배터리 모듈
502, 602 : 스터드 볼트
503, 603 : FPCB
504, 604, 801 : 암커넥터
505, 605 : 셀 터미널
506 : 압착탭
507 : 너트
606 : 압착탭
607 : 너트
702 : R-LEC(Remote Lithium-ion Energy Controler)
703 : 커버
704 : 숫커넥터

Claims (4)

  1. 물리적으로 서로 겹쳐지는 복수의 이차전지 셀과, 이차전지 셀을 고정하는 기구물과, 셀을 전기적으로 서로 결합시키고 전력을 인출하기 위한 배선 및 전기 신호를 유통하기 위한 배선을 포함하는 회로부를 구비하여 이루어지는 전기자동차용 배터리 모듈에서 개별 셀의 전압 및 온도를 확인하기 위한 배터리 모듈용 모니터링 장치로서,
    상기 회로부의 일부를 이루면서, 셀 전압을 확인하기 위하여 셀의 단자와 연결되는 전압 측정용 단자와, 셀과 전기적으로 절연되고 열적으로 전열되도록 셀과 밀착되어 셀 온도에 따른 전기신호를 발생시키는 온도센서의 온도 측정용 단자가 함께 구비되는 연성인쇄회로기판(FPCB)을 포함하는 배터리 모듈용 모니터링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도센서는 써미스터인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈용 모니터링 장치.
  3. 물리적으로 서로 겹쳐지는 복수의 이차전지 셀과, 이차전지 셀을 고정하는 기구물과, 셀을 전기적으로 서로 결합시키고 전력을 인출하기 위한 배선 및 전기 신호를 유통하기 위한 배선을 포함하는 회로부를 구비하여 이루어지는 전기자동차용 배터리 모듈로서,
    상기 회로부의 일부를 이루면서 개별 셀 전압을 확인하기 위한 모니터링 장치로서, 셀의 전극 단자와 연결되는 전압 측정용 전기단자와, 개별 셀과 전기적으로 절연되고 열적으로 전열되도록 셀과 밀착되어 셀 온도에 따른 전기신호를 변화시키는 온도센서가 함께 구비되는 연성인쇄회로기판(FPCB)을 포함하여 이루어지는 전기자동차용 배터리 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    각각의 베터리 셀은 각형 혹은 파우치형 이차전지로 이루어지며, 주변이 프레임으로 고정된 상태로 대면적면이 열전도체 플레이트를 매개로 겹쳐져 쌍을 이루고, 복수의 쌍이 대면적면이 서로 겹치도록 배치되고, 상기 프레임을 이용하여 서로 고정된 상태를 이루며,
    적어도 한 쌍마다 베터리 셀의 전극 단자가 형성된 측면에 대응하는 프레임의 일 측에는 스터드가 설치되고, 한 쌍을 이루는 셀의 전극 단자들은 공히 스터드 주변에서 배치되고, FPCB의 스터드 대응부에는 스터드홀이 설치되고, 전압 측정용 전기 단자는 상기 스터드가 통과하는 상기 스터드홀 주변으로 배치되고,
    프레임은 써미스터에 대응되는 일 부분이 제거되어 베터리 셀의 전극 단자가 형성된 측면의 일부를 노출하도록 형성되어,
    FPCB의 스터드홀로 스터드를 통과시키고 스터드를 고정수단으로 결속시킬 때(나사로 죌 때) 셀의 노출된 측면 일부는 FPCB의 써미스터와 접하고, FPCB의 전압 측정용 전기 단자는 한 쌍을 이루는 셀의 전극 단자들과 겹치면서 전기적으로 접속하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 배터리 모듈.
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