KR20220091288A - 배터리 관리시스템 및 그를 포함하는 전지팩 - Google Patents

배터리 관리시스템 및 그를 포함하는 전지팩 Download PDF

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KR20220091288A
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layer
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이원석
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Abstract

본 발명은 배터리 팩 작동을 제어하는 배터리 관리시스템(BMS)으로서, 상기 배터리 팩 작동 제어를 위한 하나 이상의 소자가 설치되어 있는 인쇄회로기판(PCB) 및 상기 소자에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 방열부를 포함하며, 상기 방열부는, 상기 소자를 감싸는 형태로 구비되면서 상기 소자를 보호하는 내부 보호층; 상기 내부 보호층의 외측에 구비되고, 상기 소자에서 발생한 열을 외부로 방출하는 방열성을 가진 방열층; 및 상기 방열층의 외측을 감싸는 형태로 구비되고, 상기 방열층을 보호하는 외부 보호층을 포함한다.

Description

배터리 관리시스템 및 그를 포함하는 전지팩{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND BATTERY PACK COMPRISING THE SAME}
본 발명은 배터리 관리시스템 및 그를 포함하는 전지팩에 관한 것으로서, 특히 방열 성능을 개선한 배터리 관리시스템 및 그를 포함하는 전지팩에 관한 것이다.
일반적으로 전지 모듈은 복수의 전지셀이 상호 인접한 상태로 배열되는 배터리 팩, 상기 배터리 팩의 양측 단부를 감싸는 형태로 장착되는 셀 프레임, 상기 전지셀의 전극단자들을 전기적으로 연결하는 단자 플레이트, 상기 단자 플레이트에 직접 연결되면서 상기 전지셀의 전압, 전류 및 온도를 관리하는 배터리 관리시스템(BMS, Battery Management System)을 포함한다.
한편, 배터리 관리시스템(BMS, Battery Management System)은 배터리 팩(Battery Pack)의 전압, 전류 및 온도를 모니터링하여 최적의 상태로 유지 관리하여, 전지셀 교체시기 예측 및 전지셀 문제를 사전에 발견하는 등 전지셀을 관리하는 역할을 한다.
이와 같은 BMS는 차량의 ECU(Electronic Control Unit)로부터 CAN 통신을 통해 릴레이 제어 명령을 수신하고, 수신된 제어 명령을 해석하여 릴레이 제어를 수행한다. 그리고 상위 ECU와 BMS 사이의 CAN 통신이 불량할 경우, 상위 ECU는 릴레이에 대한 제어권을 잃게 되고, BMS는 이에 대한 대응으로 상위 ECU와 무관하게 강제로 릴레이를 오픈(open)하여 배터리 시스템을 안정 상태(safe state)로 진입시킨다.
여기서 상기 BMS는 상기 단자 플레이트에 직접 연결되는 PCB 기판과, 상기 PCB 기판에 장착되는 회로 부품을 포함한다.
그러나 상기 BMS는 회로 부품에서 열이 크게 발생하면서 기능상 장애 또는 고장이 발생하는 문제점이 있었다.
특허공개번호 제10-2018-0118920호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 방열성을 가진 방열부를 포함으로써 회로 부품에서 발생하는 열원을 효과적으로 방열할 수 있고, 이에 따라 회로부품의 기능상 장애 및 고장을 방지할 수 있으며, 그 결과 안전성을 높일 수 있는 배터리 관리시스템 및 그를 포함하는 전지팩을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 배터리 팩 작동을 제어하는 배터리 관리시스템(BMS)으로서, 상기 배터리 팩 작동 제어를 위한 하나 이상의 소자가 설치되어 있는 인쇄회로기판(PCB) 및 상기 소자에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 방열부를 포함하며, 상기 방열부는, 상기 소자를 감싸는 형태로 구비되면서 상기 소자를 보호하는 내부 보호층; 상기 내부 보호층의 외측에 구비되고, 상기 소자에서 발생한 열을 외부로 방출하는 방열성을 가진 방열층; 및 상기 방열층의 외측을 감싸는 형태로 구비되고, 상기 방열층을 보호하는 외부 보호층을 포함할 수 있다.
상기 방열부는 상기 소자에만 구비될 수 있다.
상기 방열부의 단부는 인쇄회로기판에 밀착되지 않도록 상기 인쇄회로기판으로부터 설정길이 이격될 수 있다.
상기 내부 보호층은 Si 재질로 형성되고, 상기 방열층은 Cu 또는 Ni 재질의 금속층으로 형성될 수 있다.
상기 방열층에는 하나 이상의 방열홀이 형성될 수 있다.
상기 방열층은, 상기 내부 보호층의 외측면에 방열물질이 코팅되면서 형성될 수 있다.
상기 방열층은, 상기 내부 보호층과 상기 외부 보호층 사이에 내장되게 구비될 수 있다.
상기 외부 보호층은 경화성 필름 재질로 형성될 수 있다.
상기 방열층은 하나 이상의 방열홀이 형성되고, 상기 외부 보호층은 상기 방열홀에 더 포함되면서 상기 내부 보호층과 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리 팩은 배터리 관리시스템(BMS)을 포함할 수 있다.
본 발명의 배터리 관리시스템은 인쇄회로기판(PCB)에 설치된 소자에만 방열부를 포함하되, 상기 방열부는 내부 보호층, 방열층 및 외부 보호층이 순차적으로 적층되는 구조를 가지는 것에 특징을 가진다. 이와 같은 특징으로 인해 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방열할 수 있고, 이에 따라 소자를 안정적으로 보호할 수 있으며, 특히 비용절감 및 공간 활용성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리시스템에 구비된 인쇄회로기판(PCB)을 도시한 측면도.
도 2는 도 1에 표시된 A-A선 단면도.
도 3은 도 1에 표시된 B-B선 단면도.
도 4는 도 2에 표시된 C부분 확대도.
도 5는 도 3에 표시된 D부분 확대도.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 측면도.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 관리시스템을 도시한 사시도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
[본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리시스템]
본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)(100)은 도 1 내지 도 5에 도시되어 있는 것과 같이, 배터리 팩 작동을 제어하는 위한 시스템으로, 배터리 팩의 작동 제어를 위한 회로 및 소자(111)로 이루어진 인쇄회로기판(PCB)(110)과, 인쇄회로기판(110)의 일측에 부착되어 있는 커넥터(미도시), 상기 커넥터의 일부가 외부로 노출된 상태로 인쇄회로기판(110)을 내장하는 본체(미도시), 및 상기 본체에 결합되는 커버(미도시)를 포함한다. 그리고 상기 본체 및 커버 사이에는 방수용 부재가 설치되어 있다.
한편, 상기 소자(111)는 배터리 팩의 작동 제어를 위한 회로부품일 수 있다.
이와 같은 구성을 가진 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리시스템(100)은 배터리 팩에 구비된 단위전지들의 전압, 전류, 온도 등을 감지하고, 감지한 전압, 전류 및 온도를 바탕으로 단위전지의 작동을 제어한다.
한편, 인쇄회로기판(PCB)(110)은 작동시 소자(111)에서 열이 크게 발생하며, 상기 소자에서 발생하는 열로 인해 기능상 장애 또는 고장이 발생하는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리시스템(100)은 인쇄회로기판(110)에 설치된 소자(111)에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 방열부(120)를 포함한다. 즉, 상기 방열부(120)는 소자(111)에서 발생하는 열을 방출하여 소자(111)의 온도 상승을 크게 억제할 수 있다.
일례로, 상기 방열부(120)는 소자를 방열하기 위한 것으로, 상기 소자(111)를 보호하는 내부 보호층(121), 소자(111)를 방열하는 방열층(122) 및 방열층(122)을 보호하는 외부 보호층(123)을 포함한다.
상기 내부 보호층(121)은 방열층으로부터 소자를 보호하기 위한 것으로, 상기 소자(111)의 외측을 감싸는 형태로 구비되면서 외부로부터 상기 소자(111)를 보호한다. 특히, 상기 내부 보호층(121)은 실리콘(Si: silicon(규소)) 재질로 형성될 수 있으며, 이에 따라 소자(111)를 보다 안정적으로 보호할 수 있다. 한편, Si는 고온 및 저온에 안정성, 내후성, 난연성, 전기 절연성, 경화성이 우수한 성질을 가진다.
여기서 상기 내부 보호층(121)은 액체 형태의 Si 물질을 상기 소자(111)의 외주면에 코팅함에 따라 형성되며, 이에 따라 내부 보호층(121)과 소자(111) 사이의 결합력을 높일 수 있다.
한편, 내부 보호층(121)의 두께는 0.1~0.4㎛를 가지며, 바람직하게는 0.2~0.3㎛를 가질 수 있다. 이에 따라 내부 보호층(121)은 소자(111)의 두께 증대를 최소화하면서 외부 물질, 예로 방열층(122)으로부터 소자(111)를 안정적으로 보호할 수 있다.
상기 방열층(122)은 상기 내부 보호층(121)의 외측을 감싸는 형태로 구비되고 상기 소자(111)에서 발생한 열을 흡수한 후 외부로 방출하는 방열성을 가진다. 특히 방열층(122)은 Cu 또는 Ni 재질의 금속층으로 형성될 수 있으며, 상기 금속층을 통해 소자(111)에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있고, 그 결과 소자(111)의 온도 상승을 효과적으로 억제시킬 수 있다. 한편, Cu 또는 Ni은 높은 열전도성을 가진다.
한편, 방열층(122)은 소자(111)의 측부에 구비되는 측면 방열면(122b)과, 소자(111)의 상면에 구비되는 상면 방열면(122c)을 포함한다. 여기서 상기 상면 방열면(122c)은 상기 측면 방열면(122b) 보다 두껍게 형성될 수 있다. 특히 상기 상면 방열면(122c)은 적어도 상기 측면 방열면(122b) 보다 2배 이상 두껍게 형성될 수 있다. 이는 소자(111)에서 발생한 열은 소자의 측면에서 상면으로 전달되며, 이에 따라 소자(111)의 상면에 대한 방열성을 높일 필요가 있다. 그 결과 상기 상면 방열면(122c)은 적어도 상기 측면 방열면(122b)의 두께 보다 2배 이상 두껍게 형성함으로써 소자(111)의 상면 방열성을 높일 수 있고, 더불어 소자(111)의 온도 상승을 효과적으로 억제시킬 수 있다.
한편, 상기 방열층(122)은, 상기 내부 보호층(121)의 외측면에 소정 크기의 입자를 가진 방열물질이 코팅되면서 형성될 수 있다. 이때 결합성을 위해 바인더가 더 포함될 수 있다. 이에 따라 내부 보호층(121)의 외측에 방열층을 안정적으로 형성시킬 수 있다.
특히 상기 방열층(122)의 두께는 0.1~0.4㎛를 가지며, 바람직하게는 0.2~0.3㎛를 가질 수 있다. 이에 따라 상기 방열층(122)은 소자(111)의 두께 증대를 최소화하면서 소자(111)를 안정적으로 방열할 수 있다.
한편, 상기 방열층(122)의 표면에는 소자에서 발생한 열이 방열층을 통과하지 않고 그대로 외부로 방출되도록 방열홀(122a)이 형성될 수 있다. 상기 방열홀(122a)은 상기 방열층(122)에 복수개가 형성될 수 있다. 즉, 소자(111)에서 발생한 열 중 일부 열은 방열층(122)을 통해 외부로 방출되고, 나머지 열은 방열층을 통하지 않고 방열홀(122a)을 통해 외부로 방출될 수 있다.
상기 외부 보호층(123)은 상기 방열층(122)의 외측을 감싸는 형태로 구비되고, 상기 방열층(122)을 외부물체로부터 보호한다. 여기서 상기 외부 보호층(123)은 경화성 필름 재질로 형성될 수 있다. 한편, 경화성 필름은 한번 열을 받아 녹은 다음 굳어지면 다시 녹지 않는 것으로, 페놀 수지, 멜라민 수지 및 에폭시 수지를 포함한다. 이와 같은 외부 보호층(123)은 방열층을 보호함과 동시에 방열부의 외형을 유지시킬 수 있다.
한편, 상기 방열부(120)는 소자에만 구비될 수 있다. 즉, 배터리 관리시스템은 인쇄회로기판(110) 중 소자에서 대부분의 열이 발생하며, 이에 따라 방열부(120)는 인쇄뢰호기판을 제외한 소자(111)에만 구비됨으로써 방열부의 면적은 최소화하면서 방열성은 크게 높일 수 있고, 그 결과 비용을 크게 절감할 수 있다.
한편, 방열부(120)는 인쇄회로기판(110)으로부터 설정길이 이격될 수 있으며, 이에 따라 방열부(120)에 구비된 방열층(122)과 인쇄회로기판(110) 사이의 접촉을 차단할 수 있고, 그 결과 쇼트 발생을 방지할 수 있다.
한편, 방열층(122)은 내부 보호층(121)과 외부 보호층(123) 사이에 내장되게 위치될 수 있다. 즉, 방열층(122)은 외부에 노출되지 않도록 내부 보호층(121)과 외부 보호층(123) 사이에 구비될 수 있다. 이에 따라 방열층(122)에 의한 쇼트 발생을 방지할 수 있다. 특히 방열층(122)은 내부 보호층(121)과 외부 보호층(123) 사이에 내장됨에 따라 외부 물체에 의한 훼손을 방지할 수 있기 때문에 0.1~0.4㎛, 바람직하게는 0.2~0.3㎛ 두께로 형성할 수 있다.
한편, 상기 외부 보호층(123)은 상기 방열홀(122a)에 삽입되면서 내부 보호층(121)에 연결되는 연결층(123a)을 더 포함한다. 즉, 상기 연결층(123a)은 방열홀(122a)에 구비되면서 상기 내부 보호층(121)과 상기 외부 보호층(123)을 연결한다. 이에 따라 외부 보호층(123)과 내부 보호층(121)의 고정력을 높일 수 있다. 또한 연결층(123a)은 내부 및 내부 보호층(121)(123) 내에서 방열층(122)이 움직이는 것을 방지한다.
한편, 연결층(123a)과 내부 보호층(121)의 연결면은 열융착에 의해 접착될 수 있으며, 이에 따라 연결층(123a)과 내부 보호층(121)의 결합력을 높일 수 있다.
따라서 상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리시스템(100)은 내부 보호층, 방열층 및 외부 보호층을 구비한 방열부를 포함함으로써 인쇄회로기판에 설치된 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방열할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예를 설명함에 있어 전술한 실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 구성부호를 사용하며, 중복되는 설명은 생략한다.
[본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 팩]
본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 팩은 도 6에 도시되어 있는 것과 같이 복수의 단위전지(210)가 장착되는 배터리 케이스(200)와, 상기 단위전지(210)의 전압, 전류, 온도 등을 감지하고, 감지한 전압, 전류 및 온도를 바탕으로 단위전지(210)의 작동을 제어하는 배터리 관리시스템(100)을 포함한다.
여기서 상기 배터리 관리시스템(100)은 상기 단위전지(210) 작동 제어를 위한 하나 이상의 소자(111)가 설치되어 있는 인쇄회로기판(PCB)(110), 및 상기 소자(111)에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 방열부(120)를 포함한다.
한편, 상기 배터리 관리시스템(100)은 제1 실시예의 배터리 관리시스템과 동일한 구성과 기능을 가지며, 이에 따라 중복되는 설명은 생략한다.
따라서 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 팩은 인쇄회로기판에 설치된 소자를 효과적으로 방열할 수 있고, 그 결과 안전성을 크게 높일 수 있다.
[본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 관리시스템]
본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)(100)은 도 7에 도시되어 있는 것과 같이, 인쇄회로기판(110) 및 방열부(120)를 포함하고, 상기 방열부(120)는 내부 보호층(121), 방열층(122) 및 외부 보호층(123)을 포함한다.
여기서 상기 방열부(120)는 상기 인쇄회로기판(110)에 설치된 소자(111)에 끼워져 결합되는 구조를 가진다. 즉, 상기 방열부(120)는 상기 소자(111)가 결합되는 결합홈(120a)이 형성되고, 상기 결합홈(120a)을 통해 상기 방열부(120)를 상기 소자(111)에 끼움 결합할 수 있다. 한편, 상기 결합홈에는 접착제가 구비될 수 있으며, 이에 따라 상기 방열부와 소자의 결합성을 높일 수 있다.
따라서 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 관리시스템은 방열부를 소자에 끼움 결합함으로써 방열부 훼손시 교체 장착할 수 있으며, 그 결과 유지보수의 용이성을 높일 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 다양한 실시 형태가 가능하다.
100: 배터리 관리 시스템
110: 인쇄회로기판
120: 방열부
121: 내부 보호층
122: 방열층
123: 외부 보호층

Claims (10)

  1. 배터리 팩 작동을 제어하는 배터리 관리시스템(BMS)으로서,
    상기 배터리 팩 작동 제어를 위한 하나 이상의 소자가 설치되어 있는 인쇄회로기판(PCB) 및
    상기 소자에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 방열부를 포함하며,
    상기 방열부는,
    상기 소자를 감싸는 형태로 구비되면서 상기 소자를 보호하는 내부 보호층;
    상기 내부 보호층의 외측에 구비되고, 상기 소자에서 발생한 열을 외부로 방출하는 방열성을 가진 방열층; 및
    상기 방열층의 외측을 감싸는 형태로 구비되고, 상기 방열층을 보호하는 외부 보호층을 포함하는 배터리 관리시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열부는 상기 소자에만 구비되는 배터리 관리시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열부의 단부는 인쇄회로기판에 밀착되지 않도록 상기 인쇄회로기판으로부터 설정길이 이격되는 배터리 관리시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 보호층은 Si 재질로 형성되고,
    상기 방열층은 Cu 또는 Ni 재질의 금속층으로 형성되는 배터리 관리시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열층에는 하나 이상의 방열홀이 형성되는 배터리 관리시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열층은, 상기 내부 보호층의 외측면에 방열물질이 코팅되면서 형성되는 배터리 관리시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열층은, 상기 내부 보호층과 상기 외부 보호층 사이에 내장되게 구비되는 배터리 관리시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 보호층은 경화성 필름 재질로 형성되는 배터리 관리시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 방열층은 하나 이상의 방열홀이 형성되고,
    상기 외부 보호층은 상기 방열홀에 더 포함되면서 상기 내부 보호층과 연결되는 배터리 관리시스템.
  10. 청구항 1에 기재된 배터리 관리시스템(BMS)을 포함하는 배터리 팩.
KR1020200182648A 2020-12-23 2020-12-23 배터리 관리시스템 및 그를 포함하는 전지팩 KR20220091288A (ko)

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KR20180118920A (ko) 2017-04-24 2018-11-01 주식회사 엘지화학 Bms 유동 방지용 댐핑부재 및 이를 포함하는 전지모듈

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