KR20210149482A - 무선 통신을 위한 최적화 구조를 구비한 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 팩은 팩 케이스; 상기 팩 케이스에 탑재되는 복수 개의 배터리 모듈들; 각각의 상기 배터리 모듈에 하나씩 장착되어 상기 배터리 모듈의 상태를 모니터하도록 구성되고 무선 통신을 위한 슬레이브 안테나를 구비한 복수 개의 슬레이브 모듈들; 상기 복수 개의 슬레이브 모듈들로부터의 정보에 기초하여, 상기 배터리 모듈들의 상태를 통합 관리하도록 구성되고 무선 통신을 위한 마스터 안테나를 구비한 마스터 모듈; 및 상기 팩 케이스 내부에 설치되고 상기 복수 개의 슬레이브 모듈들과 상기 마스터 모듈 간의 무선 통신 경로를 형성하는 도파관을 포함할 수 있다.

Description

무선 통신을 위한 최적화 구조를 구비한 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차{A battery rack with optimization structure for wireless communication and energy storage device including the same}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 마스터 모듈과 복수 개의 슬레이브 모듈을 포함하는 무선 제어 시스템을 포함하는 배터리 팩에 있어서 무선 신호의 전달 경로를 통제함으로써 무선 통신의 신뢰성을 높일 수 있는 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
전기 자동차와 같이 대용량이면서 고전압이 요구되는 장치를 위한 배터리팩은, 통상적으로 서로 직렬로 접속된 복수의 배터리 모듈을 포함한다. 복수의 배터리 모듈의 상태를 효율적으로 관리하기 위해서, 멀티 슬레이브 체계를 가지는 무선 제어 시스템이 개시되어 있다. 멀티 슬레이브 체계를 가지는 무선 제어 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 각 배터리 모듈(1_1~1_N)의 상태를 모니터링하기 위한 복수의 슬레이브 모듈과 각 슬레이블 모듈의 정보를 바탕으로 전체 배터리 팩의 상태를 통합 관제하는 마스터 모듈을 포함한다.
그런데 마스터 모듈과 복수의 슬레이브 모듈이 상호 간에 무선 통신을 수행할 경우, 외부 노이즈의 영향으로 마스터 모듈과 적어도 하나의 슬레이브 모듈 간의 무선 연결이 원치 않게 끊어져 버릴 수 있어 그 해결 방안이 모색되고 있다.
한국 등록특허공보 제10-1457191호 (2014.10.27) 서울대학교 산학협력단
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 팩 내의 구조물을 도파관으로 활용하여 마스터 모듈과 복수의 슬레이브 모듈 간 무선 신호의 전달 경로를 통제하고 외부 노이즈를 차단할 수 있는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다양한 실시예는 다음과 같다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은, 팩 케이스; 상기 팩 케이스에 탑재되는 복수 개의 배터리 모듈; 각각의 상기 배터리 모듈에 하나씩 장착되어 상기 배터리 모듈의 상태를 모니터하도록 구성되고 무선 통신을 위한 슬레이브 안테나를 구비한 복수 개의 슬레이브 모듈; 상기 복수 개의 슬레이브 모듈로부터의 정보에 기초하여, 상기 배터리 모듈들의 상태를 통합 관리하도록 구성되고 무선 통신을 위한 마스터 안테나를 구비한 마스터 모듈; 및 상기 팩 케이스 내부에 설치되고 상기 복수 개의 슬레이브 모듈과 상기 마스터 모듈 간의 무선 통신 경로를 형성하는 도파관을 포함할 수 있다.
상기 도파관은, 속이 빈 관 형상으로 마련된 본체부; 일측은 상기 본체부와 연통하고 타측은 상기 슬레이브 모듈과 대면 접촉하도록 마련된 슬레이브 도킹부; 및 일측은 상기 본체부와 연통하고 타측은 상기 마스터 모듈과 대면 접촉하도록 마련된 마스터 도킹부를 포함할 수 있다.
상기 본체부는, 상기 팩 케이스의 내부 공간을 가로지르도록 연장되고 그 일단부와 그 타단부가 상기 팩 케이스의 일측 내벽과 타측 내벽에 고정 결합되어 상기 팩 케이스를 지지하도록 마련될 수 있다.
상기 슬레이브 도킹부는 복수 개가 구비되고, 한 쌍씩 상기 본체부를 기준을 서로 반대 방향에 위치하고 상기 본체부의 연장 방향을 따라 소정 간격마다 마련될 수 있다.
상기 슬레이브 도킹부 또는 상기 마스터 도킹부는, 상기 슬레이브 모듈에서 상기 슬레이브 안테나의 위치 또는 상기 마스터 모듈에서 상기 마스터 안테나의 위치를 커버하도록 마련된 외측 개방구; 상기 외측 개방구의 둘레를 따라 확장 형성된 플랜지; 및 외부 전자파 차폐 기능을 구비하고 상기 플랜지에 개재되는 쉴드 가스켓을 포함할 수 있다.
상기 쉴드 가스켓은, 와이어 메쉬 가스켓 또는 소프트 폼에 전자파 흡수 소재를 코팅한 전자파 흡수 스펀지 중 어느 하나로 마련될 수 있다.
상기 슬레이브 모듈과 상기 마스터 모듈은 외관을 형성하는 모듈 커버를 포함하고, 상기 모듈 커버는, 상기 슬레이브 안테나 또는 상기 마스터 안테나가 위치한 부분을 제외하고 전파 차단 소재로 이루어지거나, 전파 차단물질이 코팅될 수 있다.
상기 본체부의 내부에 구비되고, 상기 본체부와 연통하는 부분에 해당하는 상기 슬레이브 도킹부의 내측 개방구를 개폐하도록 마련된 반사판을 더 포함할 수 있다.
상기 반사판은 상기 본체부의 내측면에 회전축이 구비되고 상기 회전축을 중심으로 회전하되, 회전 각도가 조절 가능하게 마련될 수 있다.
상기 팩 케이스는, 상기 복수 개의 배터리 모듈들이 안착되는 팩 트레이;와 상기 팩 트레이와 상호 결합하고 상기 복수 개의 배터리 모듈의 상부를 커버하는 팩 커버를 포함할 수 있다.
상기 팩 커버의 내면에 구비되는 전파 흡수체를 더 포함할 수 있다.
상기 도파관은 상기 팩 트레이의 중심 라인을 따라 상기 팩 트레이의 바닥면에 설치되고, 상기 복수 개의 배터리 모듈들은 상기 도파관을 기준으로 서로 마주하게 배치될 수 있다.
상기 도파관은, 상기 본체부의 하부에 상기 본체부보다 큰 폭으로 형성되고 상기 팩 트레이의 바닥면에 고정 결합되는 베이스 프레임부를 더 포함하고, 상기 배터리 모듈들은 상기 베이스 프레임부의 상단면에 볼트 체결되어 고정될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함한 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은 다음과 같은 효과를 가진다.
배터리 팩 내에 구비되는 도파관을 통해 무선 신호의 전달 경로가 통제됨으로써 마스터 모듈과 복수 개의 슬레이브 모듈 간 통신의 고신뢰성이 확보될 수 있다.
또한, 도파관이 팩 케이스의 강도 보강 구조물 내지 배터리 모듈을 마운팅 시킬 수 있는 구조물로 활용될 수 있다. 본 발명에 따른 도파관은 종래 기술의 배터리 팩의 크로스 빔과 같은 작용을 겸하게 되는 것으로 도파관의 추가에 따른 배터리 팩의 용적율이 저하되지 않는다.
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 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 무선 제어 시스템을 포함하는 배터리 팩의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5은 도 4의 도파관에 배터리 모듈을 설치한 예를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 6은 도 4의 슬레이브 도킹부를 확대한 도면이다.
도 7은 도 6에 대응하는 도면으로서, 쉴드 가스켓의 변형예를 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관과 슬레이브 모듈의 연결 전후 상태를 도시한 개략적인 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도파관의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
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 아니되며, 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 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은 팩 케이스(10), 복수 개의 배터리 모듈(20), 복수 개의 슬레이브 모듈(30), 마스터 모듈(40) 및 도파관(50)을 포함한다.
팩 케이스(10)는 배터리 모듈(20)들을 안착시킬 수 있는 공간을 제공하는 팩 트레이(12)와, 팩 트레이(12)의 상부를 커버하며 팩 트레이(12)의 상단에 결합되는 팩 커버(11)를 포함한다.
팩 트레이(12)는 배터리 모듈(20)들, 마스터 모듈(40), 배터리 차단 유닛(BDU, Battery Disconnection Unit)등을 탑재할 수 있게 넓은 판상체 형태로 형성된 바틈 플레이트와 바틈 플레이트의 가장자리를 따라 벽체를 형성하는 측면 플레이트로 이루어진 상부가 오픈된 형태로 마련될 수 있다.
여기서 상기 마스터 모듈(40)은 배터리 모듈(20)들을 실시간으로 모니터링하여 각 배터리 모듈(20)의 상태를 진단,추청,관리하는 구성품이다. 마스터 모듈(40)은 당업계에서 마스터 BMS(Battery Management System)로 지칭될 수 있다. 그리고 배터리 차단 유닛은 전력 제어 부품의 하나로 릴레이, 전류 센서, 저항 등으로 구성되며 배터리와 부하 사이에서 전력을 연결 또는 차단하는 부품을 통칭한다.
팩 커버(11)는 측면 플레이트의 상단 라인을 따라 접착, 후킹, 볼팅 등의 방식으로 팩 트레이(12)의 상단에 결합되고 배터리 모듈(20)들의 상부를 커버할 수 있게 마련될 수 있다. 상기 팩 커버(11)는 내부 구성품들을 외부로부터 보호할 수 있도록 스틸 등과 같이 강성의 금속 재질로 제작되는 것이 바람직할 수 있다. 팩 트레이(12)와 팩 커버(11)의 접촉 부위에는 기밀성을 위해 가스켓(미도시)이 더 추가될 수도 있다.
특히, 본 실시예의 팩 커버(11)는, 도 2와 같이, 그 내면에 전파 흡수체(60)(wave absorber)를 포함한다. 여기서 전파 흡수체(60)는 입사 전파를 흡수하여 열로 변환하여 반사파를 발생시키지 않는 물질을 말한다. 예컨대, 전파 흡수체(60)는 수지에 자성 분말을 혼합한 시트(Sheet) 형태로 제작되어 팩 커버(11)의 내면에 부착될 수 있다.
이 같이 전파 흡수체(60)를 팩 커버(11)의 내면에 부착하면 무선 신호를 전달하는 전파가 팩 커버(11)에 의해 반사되지 않음으로, 다중 경로 페이딩(multipath fading)에 의한 영향 및 외부로 반사되어 타 장치에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
상기 시트의 대안으로 전파흡수도료가 이용될 수도 있다. 즉, 팩 커버(11)의 내측면에 전파흡수도료를 두껍게 칠해 상기 시트를 부착한 것과 같은 효과를 낼 수 있다.
복수 개의 배터리 모듈(20)은 서로 직렬 또는 직렬과 병렬 연결되고 각 배터리 모듈(20)은 적어도 하나의 배터리 셀(미도시)을 포함한다. 복수 개의 배터리 모듈(20)을 구분하기 위한 목적으로, 도 2에 복수 개의 배터리 모듈(20)에 부호 20_1~20_N을(N은 2 이상의 자연수) 부여하였다.
상기 배터리 셀로는 파우치형 이차전지, 각형 이차전지 또는 원통형 이차전지 중 어느 것을 채용해도 좋다.
슬레이브 모듈(30)은 배터리 모듈(20)당 하나씩 배터리 모듈(20)의 전면부에 장착될 수 있고 해당 배터리 모듈(20)의 상태를 모니터링 및 관리하는 역할을 하는 구성요소이다. 슬레이브 모듈(30)은 당업계에서 슬레이브 BMS(Battery Module System)으로 지칭될 수 있다. 통상적으로 상기 슬레이브 모듈(30)은 배터리 모듈(20)과 기계적, 전기적으로 연결되고 배터리 모듈(20)의 일측에 통합된 형태로 제공된다. 따라서 슬레이브 모듈(30)의 개수는 복수 개의 배터리 모듈(20)의 개수와 같다.
각 슬레이브 모듈(30)은 센싱부(미도시), 무선 통신 회로(미도시), 슬레이브 안테나(SA), 및 슬레이브 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
센싱부는 전압 측정 회로, 온도 센서, 전류 센서를 포함할 수 있다.
전압 측정 회로는 배터리 모듈(20)의 모듈 전압을 측정한다. 모듈 전압은 배터리 모듈(20)의 양단에 걸친 전압이다. 전압 측정 회로는 또한, 배터리 모듈(20)에 포함된 각 배터리 셀의 셀 전압을 더 측정할 수 있다. 셀 전압은 배터리 셀의 양단에 걸친 전압이다. 전압 측정 회로는, 모듈 전압과 셀 전압을 나타내는 전압 신호를 제어부에 전송한다.
온도 센서는 배터리 모듈(20)로부터 소정 거리 내에 배치되어, 배터리 모듈(20)의 온도를 나타내는 온도 신호를 슬레이브 제어부에 전송한다.
전류 센서는 배터리팩의 충방전 전류 경로에 설치되어, 배터리팩의 충방전 시에 흐르는 전류를 측정하고, 측정된 전류를 나타내는 전류 신호를 슬레이브 제어부에 전송한다.
무선 통신 회로는 하드웨어적으로 RF SoC(System on Chip)를 이용하여 구현될 수 있고, 슬레이브 제어부 및 슬레이브 안테나(SA)에 연결된다. 각 슬레이브 모듈(30)에 구비되는 슬레이브 안테나(SA)를 구분하기 위한 목적으로, 도 2에서 슬레이브 안테나(SA)가 위치한 곳에 부호 SA_1~SA_N을(N은 2 이상의 자연수) 부여하였다. 무선 통신 회로는 슬레이브 안테나(SA)를 통해, 마스터 모듈(40)에게 데이터를 무선 전송하거나, 마스터 모듈(40)로부터 데이터를 무선 수신할 수 있다. 또한, 무선 통신 회로는 슬레이브 안테나(SA)를 통해 어떤 신호가 수신된 경우, 수신된 신호의 신호 강도(signal strength)를 측정할 수 있다.
슬레이브 제어부는 센싱부 및 무선 통신 회로에 동작 가능하게 결합되어, 이들 각각의 동작을 개별적으로 제어하도록 구성될 수 있다.
마스터 모듈(40)은 배터리팩을 통합 제어하는 구성요소로서, CAN(Control Area Network)와 같은 유선 네트워크를 통해 외부의 메인 컨트롤러(예, 전기자동차의 ECU)와 통신하도록 구성된다.
또한, 마스터 모듈(40)은 무선 통신 회로(미도시), 마스터 제어부(미도시) 및 마스터 안테나(MA)를 포함하고, 마스터 안테나(MA)를 통해 각 슬레이브 모듈(30)과 무선 통신할 수 있게 구성된다.
상기 무선 통신 회로는 마스터 안테나(MA)를 통해 슬레이브 모듈(30)에게 명령 패킷을 무선 전송하도록 구성된다. 또한, 무선 통신 회로는 마스터 안테나(MA)를 통해 슬레이브 모듈(30)로부터의 응답 패킷을 수신하도록 구성된다.
복수의 슬레이브 모듈(30) 각각은, 미리 할당받은 자신의 ID를 이용하여, 마스터 모듈(40)과 무선 통신을 수행하고, 마스터 모듈(40)은 복수의 슬레이브에 미리 할당되어 있는 ID를 저장한다. 상기 ID는 복수의 슬레이브를 구별하기 위한 식별 정보이다.
마스터 모듈(40)은 슬레이브 모듈(30)로부터의 배터리 정보에 기초하여, 각 배터리 모듈(20)의 SOC(state of charge), SOH(state of health) 등을 연산하거나, 각 배터리 모듈(20)의 과전압, 부족전압, 과충전 또는 과방전 여부를 판정할 수 있다.
마스터 제어부는 무선 통신 회로에 동작 가능하게 연결된다. 마스터 제어부는 마스터 안테나(MA)를 통해 수신되는 신호를 기초로, 복수의 슬레이브 중 적어도 하나에 대한 요청 사항을 결정하고, 상기 요청 사항을 나타내는 데이터를 포함하는 명령 패킷을 복수의 슬레이브 모듈(30) 중 적어도 하나에게 무선으로 송신할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩은 상기 복수 개의 슬레이브 모듈(30)과 상기 마스터 모듈(40) 간의 무선 통신의 경로가 통제될 수 있도록 무선 통신 경로를 형성하는 도파관(50)을 포함한다.
이하에서는 다시 도 2 및 도 3과 함께, 도 4 내지 도 9를 참조하여 상기 도파관(50)의 구성과 작용을 자세히 설명하기로 한다.
도파관(50)은 안테나와 수신기 사이에서 전파의 에너지 손실과 외부 노이즈 간섭을 최소화하면서 전파를 전달하는 역할을 하는 것으로서 속이 빈 금속관 형태이고 단면이 직사각형, 원형으로 제작될 수 있으며, 도파관(50)의 크기는 무선 통신 주파수에 따라 다양하게 결정될 수 있다.
이러한 도파관(50)은 전자기파를 도파관(50)의 제한된 내부 공간을 따라 이동하게 하고 그 내면에 전류가 흐르지 않아 전자기파의 에너지 손실을 줄일 수 있다. 또한, 도파관(50)의 내부는 공기로 채워져 있어 유전체손실도 적다.
본 발명은 상기 도파관(50)을 각 슬레이브 모듈(30)과 마스터 모듈(40) 간의 무선 전달 경로로 사용한다. 이를 위해 외부 충격시 팩 케이스(10)의 뒤틀림 방지용으로 통상 적용하고 있는 팩 케이스(10) 내의 크로스 빔을 도파관(50)으로 구성하였다. 따라서 본 실시예의 도파관(50)은 무선 신호 전송 경로와 팩 케이스(10)의 강도 보강 구조물로써 2가지 역할을 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 도파관(50)은 팩 케이스(10)의 가운데 영역을 가로지르도록 연장되어 팩 케이스(10)의 내부 공간을 양분하도록 팩 트레이(12)의 바닥면에 설치될 수 있다. 또한, 도파관(50)의 일단부와 타단부는 각각 팩 트레이(12)의 일측 내벽과 타측 내벽에 고정 결합될 수 있다. 이러한 도파관(50)에 의해 팩 케이스(10)의 양쪽 벽체가 지지될 수 있어 외부 충격이 있더라도 팩 케이스(10)가 쉽게 뒤틀리거나 변형되지 않을 수 있다.
상기 도파관(50)은, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본체부(51), 슬레이브 도킹부(52), 마스터 도킹부(53) 및 베이스 프레임부(54)를 포함한다.
본체부(51)는 속이 빈 직사각 금속 관형으로 마련된다. 상기 본체부(51)는 상부를 개폐시킬 수 있도록 마련될 수 있다. 이를테면, 본체부(51)는 상부가 개방된 몸체와 이러한 몸체를 덮을 수 있는 상판(51a)으로 구성될 수 있다. 이러한 구성의 본체부(51)는 그 내부에 먼지나 이물질이 유입될 경우, 상판(51a)을 분리하고 내부 청소를 쉽게 할 수 있다는 이점이 있다.
슬레이브 도킹부(52)는 각 배터리 모듈(20)의 슬레이브 모듈(30)과 연결되는 부분으로서, 그 일측은 본체부(51)의 내부와 연통하고 타측은 슬레이브 모듈(30)과 대면 접촉하도록 마련된다.
슬레이브 도킹부(52)는 본체부(51)의 외측면에서 돌출되게 마련된 외측 개방구(52a), 상기 외측 개방구(52a)의 둘레를 따라 확장 형성된 플랜지(52b), 상기 플랜지(52b)에 개재되는 전자파 쉴드 가스켓(52c) 그리고 내측 개방구(52e)를 포함한다.
외측 개방구(52a)는, 무선 전파신호가 도파관(50) 속으로 가장 효율적으로 전달될 수 있도록, 슬레이브 모듈(30)에서 슬레이브 안테나(SA)가 위치한 영역의 면적에 대응하는 사이즈로 마련되어 상기 슬레이브 안테나(SA) 영역을 커버한다.
플랜지(52b)는 슬레이브 모듈(30)의 외관을 형성하는 모듈 커버와 대면 접촉하는 부분이다. 이러한 플랜지(52b)를 이용해 모듈 커버와 접촉 면적으로 넓힘으로써 상기 모듈 커버의 찍힘이나 글힘을 방지하고 슬레이브 모듈(30)에 가해질 수 있는 충격을 완화시킬 수 있다.
상기 모듈 커버는, 외부 무선 간섭을 최소화하기 위해, 플랜지(52b)와 접점을 이루는 부분의 바깥쪽 영역이 전자파 쉴드 기능을 구비한 금속 또는 전자파 쉴드 기능을 구비한 시트 또는 도료가 표면에 구비된 비금속 재질로 형성될 수 있다. 즉, 상기 모듈 커버는 내측에 상기 슬레이브 안테나(SA)가 위치한 부분을 제외하고 전파 차단 소재로 이루어지거나, 전파 차단물질이 코팅된 것일 수 있다.
도 6을 참조하면, 전자파 쉴드 가스켓(52c)은 도파관(50)으로 유입될 수 있는 외부 전자파 간섭을 없애기 위한 것으로, 폴리우레탄 폼과 같이 소프트 폼에 전자파 흡수 소재를 특수 코팅한 전자파 흡수 스펀지가 적용될 수 있다. 상기 전자파 흡수 스펀지는 플랜지(52b)부의 표면에 접착 등의 방식으로 부착될 수 있다. 이러한 전자파 흡수 스펀지는 그 특성상 유연성과 탄력성이 우수하므로 모듈 커버와의 접촉시 스크래치 방지 효과도 있다.
전자파 흡수 스펀지의 대안으로는, 도 7에 도시한 바와 같은 와이어 메쉬(mesh) 쉴드 가스켓(52d)이 채용될 수 있다. 와이어 메쉬 쉴드 가스켓(52d)은 메탈 와이어를 니팅 방식으로 직조하여 유연성이 뛰어나며 상대물과 접촉이 우수하여 전자파 차폐 효과가 높다. 상기 와이어 메쉬의 내부에 실리콘 엘라스토머, 우레탄스폰지 등을 심재로 넣을 수도 있다.
상기 와이어 메쉬 쉴드 가스켓(52d)은 플랜지(52b)의 표면에 접착 테이프로 부착하거나, 변형예와 같이, 플랜지(52b)에 그루브를 마련하고 상기 그루브에 끼워 넣고 고정하는 방식으로 플랜지(52b)에 개재할 수 있다.
마스터 도킹부(53)는, 상술한 슬레이브 도킹부(52)와 구조는 실질적으로 같으나 연결 대상이 마스터 모듈(40)인 것에 차이가 있다. 즉, 마스터 도킹부(53)는 (도 2 참조) 일측이 본체부(51)와 연통하고 타측은 마스터 모듈(40)과 대면 접촉하도록 마련된다. 그리고 마스터 도킹부(53)의 외측 개방구(52a)는 마스터 모듈(40)에서 마스터 안테나(MA)의 위치를 커버할 수 있는 크기로 마련될 수 있다.
베이스 프레임부(54)는 팩 트레이(12)의 바닥면에 고정 결합되는 부분으로 본체부(51)의 하부에 위치하고 본체부(51)보다 큰 폭으로 형성된다. 상기 베이스 프레임부(54)는 팩 트레이(12)의 바닥면과 용접 또는 볼팅 방식으로 결합될 수 있다.
상기 베이스 프레임부(54)는 본체부(51)보다 큰 폭으로 형성되어 있어 배터리 모듈(20)들을 마운팅하는 장소로 활용될 수 있다. 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 베이스 프레임부(54)의 상단면에 배치된 마운팅 브라켓(21)과 베이스 프레임부(54)를 볼트(B)로 결합해서 각 배터리 모듈(20)을 도파관(50)에 고정시킬 수 있다. 이 경우, 각 배터리 모듈(20)의 슬레이브 모듈(30)은 대응하는 도파관(50)의 슬레이브 도킹부(52)에 정확히 얼라인될 수 있고, 얼라인 후 외부 충격이 있어도 방향이 틀어지지 않을 수 있다.
이어서, 도 8 및 도 9를 참조하여, 상기 도파관(50)에 각 슬레이브 모듈(30) 내지 마스터 모듈(40)을 연결하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 팩 트레이(12)의 중심 라인을 따라 도파관(50)이 놓이도록 팩 트레이(12)의 바닥면에 설치한다. 그리고 도 8에 도시한 바와 같이, 한 쌍씩의 배터리 모듈(20)을 상기 도파관(50)을 기준으로 대칭적으로 서로 마주하게 배치한다. 전술한 바 있듯이, 각 슬레이브 모듈(30)은 각 배터리 모듈(20)에 장착되어 있고, 상기 한 쌍씩의 배터리 모듈(20)이 서로 마주하는 방향은 각 슬레이브 모듈(30)이 도파관(50)을 향하는 방향이다.
그 다음, 도 9에 도시한 바와 같이, 각 슬레이브 모듈(30)에서 슬레이브 안테나(SA) 영역과 슬레이브 도킹부(52)의 외측 개방구(52a)를 매칭시킨다. 이때, 배터리 모듈(20)의 마운팅 브라켓(21)의 홀(H1)과 도파관(50)의 베이스 프레임부(54)의 상단면의 홀(H2)이 상하로 일치하면 도파관(50)과 슬레이브 모듈(30)이 정확히 얼라인 된 것으로 볼 수 있다. 이 상태에서 상기 브라켓을 베이스 프레임부(54)에 볼트 체결하여 배터리 모듈(20)을 도파관(50)에 고정한다.
위와 같은 패턴으로 도파관(50)의 연장 방향을 따라 각 배터리 모듈(20)을 도파관(50)에 고정해 각 슬레이브 안테나(SA)가 도파관(50)의 각 슬레이브 도킹부(52)의 내부를 향하도록 한다. 마스터 모듈(40)의 경우에도 슬레이브 모듈(30)과 마찬가지로 마스터 안테나(MA)가 도파관(50)의 마스터 도킹부(53)의 내부를 향하도록 한다.
이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 구성에 의하면, 각 슬레이브 모듈(30)과 마스터 모듈(40) 간의 무선 신호의 전파 전달 경로가 상기 도파관(50) 내로 제한되고 외부 전파의 간섭이 최소화될 수 있어 각 슬레이브 모듈(30)과 마스터 모듈(40) 간의 무선 통신의 신뢰성을 높일 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도파관(50)의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이어서, 도 10을 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 설명하기로 한다. 전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩은 전술한 실시예의 배터리 팩과 비교할 때, 도파관(50)의 내부에 반사판(55)을 더 포함한다.
상기 반사판(55)은 각 슬레이브 도킹부(52)의 내측 개방구(52e)를 여닫을 수 있도록 본체부(51)의 내부에 마련된다. 이를테면, 반사판(55)은 내측 개방구(52e)를 충분히 덮을 수 있는 사이즈로 형성되며 본체부(51) 내측면 중 상기 내측 개방구(52e)에 주변에 회전축을 구비하고 0도~180도 범위로 회전하도록 마련될 수 있다. 상기 반사판(55)의 회전 각도는 반사판(55)의 회전축에 서보모터(미도시)를 연결해 정밀하게 조절할 수 있다. 서보모터는 각 슬레이브 모듈(30)의 제어부 또는 마스터 모듈(40)의 제어부와 유선 또는 무선으로 연결되고 상기 제어부의 명령에 따라 작동될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 다른 실시예의 구성에 의하면, 무선 신호의 전달 경로가 전술한 실시예보다 효과적으로 통제될 수 있다. 예컨대, 도 10과 같이, 마스터 모듈(40)과 통신하고 있지 않은 슬레이브 모듈(30)의 통신 경로는 반사판(55)에 의해 차폐될 수 있도록 해서 전파 간섭을 최소화시킬 수 있다. 또한, 마스터 모듈(40)과 통신하고 있는 각 슬레이브 모듈(30)의 통신 경로는 반사판(55)에 의해 보다 효과적으로 통제될 수 있다. 이를테면, 마스터 모듈(40) 또는 각 슬레이브 모듈(30)은 RSSI(Received Signal Strength Indication)을 통해 신호 세기를 감지하고 각 슬레이브 안테나(SA)마다 마스터 안테나(MA)와 주고받는 신호가 가장 원활한 때의 반사판(55)의 최적 개방 각도를 찾는다. 반사판(55)은 각 슬레이브 모듈(30)마다 상기 최적 개방 각도에 맞게 조절되어 신호 세기가 적정 수준 이상으로 유지될 수 있도록 한다.
도 11은 본 발명의 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 배터리 팩(100)은 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차(V)의 동력 에너지원으로 포함될 수도 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차(V)는 상술한 배터리 팩(100)을 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩(100)은 전기 자동차(V)에 탑재되어, 전기 자동차(V)의 전기 모터의 구동에 요구되는 전력을 공급할 수 있다. 또한, 상기 배터리 팩(100)의 마스터 모듈은, CAN(Control Area Network)과 같은 유선 네트워크를 통해 외부의 전기 자동차의 ECU(Electronic Control Unit)와 통신할 수 있다.
상기 자동차(V) 이외에도 이차 전지를 이용하는 전력 저장 장치(Energy Storage System) 등 기타 다른 장치나 기구 및 설비 등에도 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다.
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.
10 : 팩 케이스 11 : 팩 커버
12 : 팩 트레이 20 : 배터리 모듈
21 : 마운팅 브라켓 30 : 슬레이브 모듈
40 : 마스터 모듈 50 : 도파관
51 : 본체부 52 : 슬레이브 도킹부
52a : 외측 개방구 52b : 플랜지
52c,52d : 쉴드 가스켓 52e : 내측 개방구
53 : 마스터 도킹부 54 : 베이스 프레임부
55 : 반사판 60 : 전파 흡수체
SA : 슬레이브 안테나 MA : 마스터 안테나

Claims (14)

  1. 팩 케이스;
    상기 팩 케이스에 탑재되는 복수 개의 배터리 모듈;
    각각의 상기 배터리 모듈에 하나씩 장착되어 상기 배터리 모듈의 상태를 모니터하도록 구성되고 무선 통신을 위한 슬레이브 안테나를 구비한 복수 개의 슬레이브 모듈;
    상기 복수 개의 슬레이브 모듈로부터의 정보에 기초하여, 상기 배터리 모듈들의 상태를 통합 관리하도록 구성되고 무선 통신을 위한 마스터 안테나를 구비한 마스터 모듈; 및
    상기 팩 케이스 내부에 설치되고 상기 복수 개의 슬레이브 모듈들과 상기 마스터 모듈 간의 무선 통신 경로를 형성하는 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도파관은,
    속이 빈 관 형상으로 마련된 본체부;
    일측은 상기 본체부와 연통하고 타측은 상기 슬레이브 모듈과 대면 접촉하도록 마련된 슬레이브 도킹부; 및
    일측은 상기 본체부와 연통하고 타측은 상기 마스터 모듈과 대면 접촉하도록 마련된 마스터 도킹부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 본체부는, 상기 팩 케이스의 내부 공간을 가로지르도록 연장되고 그 일단부와 그 타단부가 상기 팩 케이스의 일측 내벽과 타측 내벽에 고정 결합되어 상기 팩 케이스를 지지하도록 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 슬레이브 도킹부는 복수 개가 구비되고, 한 쌍씩 상기 본체부를 기준을 서로 반대 방향에 위치하고 상기 본체부의 연장 방향을 따라 소정 간격마다 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 슬레이브 도킹부 또는 상기 마스터 도킹부는,
    상기 슬레이브 모듈에서 상기 슬레이브 안테나의 위치 또는 상기 마스터 모듈에서 상기 마스터 안테나의 위치를 커버하도록 마련된 외측 개방구;
    상기 외측 개방구의 둘레를 따라 확장 형성된 플랜지; 및
    외부 전자파 차폐 기능을 구비하고 상기 플랜지에 개재되는 쉴드 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 쉴드 가스켓은,
    와이어 메쉬 가스켓 또는 소프트 폼에 전자파 흡수 소재를 코팅한 전자파 흡수 스펀지 중 어느 하나로 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 슬레이브 모듈과 상기 마스터 모듈은 외관을 형성하는 모듈 커버를 포함하고,
    상기 모듈 커버는,
    상기 슬레이브 안테나 또는 상기 마스터 안테나가 위치한 부분을 제외하고 전파 차단 소재로 이루어지거나, 전파 차단물질이 코팅된 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 본체부의 내부에 구비되고,
    상기 본체부와 연통하는 부분에 해당하는 상기 슬레이브 도킹부의 내측 개방구를 개폐하도록 마련된 반사판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반사판은 상기 본체부의 내측면에 회전축이 구비되고 상기 회전축을 중심으로 회전하되, 회전 각도가 조절 가능하게 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 팩 케이스는,
    상기 복수 개의 배터리 모듈들이 안착되는 팩 트레이;와 상기 팩 트레이와 상호 결합하고 상기 복수 개의 배터리 모듈의 상부를 커버하는 팩 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 팩 커버의 내면에 구비되는 전파 흡수체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 도파관은 상기 팩 트레이의 중심 라인을 따라 상기 팩 트레이의 바닥면에 설치되고,
    상기 복수 개의 배터리 모듈들은 상기 도파관을 기준으로 서로 마주하게 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 도파관은,
    상기 본체부의 하부에 상기 본체부보다 큰 폭으로 형성되고 상기 팩 트레이의 바닥면에 고정 결합되는 베이스 프레임부를 더 포함하고,
    상기 배터리 모듈들은 상기 베이스 프레임부의 상단면에 볼트 체결되어 고정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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