WO2018080177A1 - 전지 시스템 용 버스바 및 이를 포함하는 전지 시스템 - Google Patents

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호퍼막시밀리안
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템 용 버스바는, 상호 이격된 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재, 및 상기 제 1 바 부재와 상기 제 2 바 부재를 연결하여 공통 바(common bar)를 형성하는 제 3 바 부재를 포함하고, 상기 제 3 바 부재는 옴 저항을 갖는 션트 저항(shunt resistance)으로서, 상기 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재를 전기적으로 상호 연결시킨다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템은 상기 버스바를 포함한다.

Description

전지 시스템 용 버스바 및 이를 포함하는 전지 시스템
본 기재는 션트가 통합된 전지 시스템 용 버스바 및 상기 버스바를 포함하는 전지 시스템에 관한 것이다.
이차전지(rechargeable battery)는 충전 및 방전을 반복적으로 수행할 수 있는 점에서 일차 전지와 다르며, 후자는 화학 물질을 전기 에너지로 되돌릴 수 없는 비가역적 변환(irreversible conversion)만 제공한다. 저용량의 이차전지는 휴대 전화, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 장치의 전원으로 사용되고, 대용량의 이차전지는 하이브리드 자동차 등의 전원으로 사용된다.
일반적으로, 이차전지는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 상기 전극 조립체와 전기적으로 연결되는 전극 단자를 포함한다. 양극, 음극 및 전해질 용액의 전기 화학적 반응을 통한 전지의 충전 및 방전이 가능하도록 전해액을 주입한다. 상기 케이스의 형상, 예를 들어 원통형 또는 직사각형의 케이스는 전지의 용도에 따라 달라진다.
이차 전지는 직렬 및/또는 병렬로 결합된 복수의 단위 전지셀로 이루어지는 전지모듈로 사용되어 높은 에너지 밀도의 전지, 예를 들어 하이브리드 자동차의 모터 구동을 위한 전지를 제공할 수 있다. 즉, 상기 전지모듈은 고출력의 이차 전지, 예를 들어 전기차 용 이차 전지를 구현하기 위해 요구되는 전력량에 따라 복수의 단위 전지셀의 전극 단자들을 상호 연결함으로써 형성된다.
전지모듈은 블록 설계 또는 모듈 설계로 구성될 수 있고, 블록 설계에서 각 전지셀은 공통 집전체 구조 및 공통 전지 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에 연결된다. 모듈 설계에서 복수의 전지셀들은 서브 모듈을 형성하기 위해 연결되고, 일부 서브 모듈들은 상기 전지모듈을 형성하기 위해 연결된다. 전지 관리 기능은 모듈 또는 서브 모듈 수준에서 구현될 수 있어 상기 구성들 간의 호환성은 향상된다. 하나 이상의 전지모듈들은 기계적 및 전기적으로 통합되고, 열 관리 시스템이 장착되며, 전지 시스템을 형성하기 위해 하나 이상의 전기 소비자(electrical consumer)와 통신하도록 설정된다.
전지 시스템의 열 관리를 제공하기 위해, 이차 전지로부터 발생하는 열을 효율적으로 방출, 방전 및/또는 방산함으로써 적어도 하나의 전지모듈을 안전하게 사용하기 위한 열 관리 시스템(thermal management system)이 요구된다. 만약, 상기 방출/방전/방산이 충분히 수행되지 않으면, 각 전지셀들 간에는 온도 편차가 발생하여 적어도 하나의 전지모듈은 원하는 양의 전력을 생성할 수 없다. 또한, 전지 모듈 내부의 온도 상승은 그 내부에서 비정상적 반응을 일으켜 충전식 전지의 충방전의 성능은 저하되고, 전지의 수명이 단축된다. 따라서, 전지셀의 냉각을 위해 전지셀로부터 열을 효과적으로 방출/방전/방산하는 것이 필요하다. 모듈 설계에서 전지 시스템의 전기적 통합을 제공하기 위해 병렬 연결된 복수의 전지셀을 갖는 서브 모듈들은 직렬로 연결(XsYp)되거나, 또는 직렬로 연결된 복수의 셀을 갖는 서브 모듈들은 병렬로 연결(XpYs)된다. XsYp형 서브 모듈들은 고전압을 생성하는데 적합하나, 각 셀의 전압 레벨을 개별적으로 제어해야 하므로 배선 복잡성이 증가한다. XpYs형 서브 모듈들에서, 병렬 연결된 모든 셀들의 전압 레벨은 자동적으로 균형을 이룬다. 따라서, 서브 모듈 레벨에서 전압을 제어하기 충분하므로 배선 복잡성이 감소하게 된다. 병렬 연결된 전지셀의 서브 모듈에서 상기 셀들의 커패시턴스는 합쳐지고, 이에 따라 XpYs형 서브 모듈들은 대부분 저용량의 셀들과 함께 사용된다.
상기 전지 시스템에 연결된 다양한 전기 소비자들의 동적 전력 수요를 충족시키기 위해 전지 전원 출력 및 방전을 정적으로 관리하는 것은 충분하지 않다. 따라서, 전지 시스템과 전기 소비자의 관리자 사이의 지속적인 정보 교환이 요구되며, 이러한 정보는 전지 시스템의 실제 충전 상태(SoC), 잠재적인 전기 성능, 충전 능력 및 내부 저항 뿐만 아니라 실제 또는 예측된 전력 수요 또는 잉여 소비자를 포함한다. 전지 시스템은 일반적으로 전지 관리 시스템(BMS)과 이러한 정보를 처리하기 위한 전지 관리 유닛(Battery Management Unit, BMU)으로 구성된다.
일반적으로, 리튬 이온 전지 시스템은 각 전지셀의 전압을 모니터링 할 필요가 있다. 이는 전지셀의 과충전 및 저전압이 보안 위험을 초래할 수 있고, 시스템의 서비스 수명을 단축시킬 수 있기 때문이다. 또한, 실제 SOC(State of Charge)를 도출하기 위해 상기 전지 시스템의 전류가 검출된다. 상기 전지 시스템의 전류를 측정하는 일반적인 방법은 전지 시스템의 전류의 경로에 정밀하게 작은 값의 옴 저항을 갖는 션트를 도입하는 것이다. 션트를 통한 전압 강하를 측정함으로써 알려진 저항을 사용하여 전류값을 측정할 수 있다. 션트를 통한 전압 강하 측정값은 작은 것이 바람직하므로, 주로 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)로 실현되는 고정밀 전압 검출 시스템은 상기 션트에 연결되어야 한다.
일반적으로 전문 공급 업체가 제공하는 전용 션트 센서(dedicated shunt sensor)가 전지 시스템에 사용된다. 이러한 전용 센서는 이러한 목적으로 특별 제작된 맞춤형 회로 캐리어에 연결되어야 하므로, 션트 그 자체와 추가적인 회로 캐리어로 인한 추가 비용이 발생하게 된다. 특히, 자동차 분야에서, 션트 센서는 양극 전지 클램프(positive battery clamp)의 일부를 구성하는 소형 하우징에 종종 적용된다. 따라서, 클램프의 설계는 변경되어야 하고, 션트를 설치하기 위한 추가적인 공간이 요구된다.
본 발명의 일 측면은 종래 기술보다 적은 비용, 적은 설치공간을 필요로 하는 션트가 통합된 버스바 및 이를 포함하는 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 버스바 및/또는 전지 시스템의 길이 방향을 따라 상호 이격된 제 1 바 부재와 제 2 바 부재를 함하는 전지 시스템 용 버스바가 제공된다.
상기 버스바는 전지 시스템 내의 전지셀 및/또는 전지모듈의 셀 단자를 연결할 수 있고, 상기 버스바는 전지 시스템 내에서 상기 전지셀의 단자들을 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 버스바는 전지 시스템 내의 전지셀들을 상호 연결하는 전기 연결자, 즉, 공통 버스바와 상호 호환되게 더 구성될 수 있다.
상기 버스바는 제 1 바 부재와 제 2 바 부재를 연결하여 공통 바(common bar)를 형성하는 제 3 부재를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 제 3 바 부재는 제 1 바 부재와 제 2 바 부재를 구조적으로 연결하며, 상기 제 3 바 부재는 예를 들어, 플러그 또는 나사 결합과 같이 분리 가능한 연결 부재이거나, 또는 제 1 바 부재와 제 2 바 부재에 용접, 납땜, 또는 접착, 부착되는 분리 불가능한 연결 부재일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 3 바 부재는 옴 저항을 갖는 션트 저항(shunt resistance)으로서, 제 1 바 부재와 제 2 바 부재를 전기적으로 상호 연결시킬 수 있다. 즉, 옴 저항을 갖는 옴 저항체가 상기 버스바에 구조적 및 전기적으로 통합된다.
션트는 최대 전류에서 100 mV 이하의 전압 강하를 포함하고, 바람직하게는 75 mV 이하의 전압 강하를 포함하며, 특히 바람직하게는 50 mV 이하의 전압 강하를 포함하며, 상기 최대 전류는 250 A이고, 바람직하게는 500 A이며, 특히 바람직하게는 750 A 이다. 상기 션트는 10 μΩ 과 200 μΩ 사이의 옴 저항을 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 25 μΩ 과 150 μΩ 사이의 옴 저항을 포함할 수 있으며, 특히 바람직하게는 50 μΩ 과 100 μΩ 사이의 옴 저항을 포함할 수 있다. 또한, 상기 션트 저항의 온도 계수는 작은 것이 바람직하며, 특히 바람직하게는 100 ppm 이하, 더욱 바람직하게는 75 ppm 이하, 특히 바람직하게는 50 ppm 이하이다. 더욱 바람직하게는, 상기 션트 저항, 즉, 제 3 바 부재는 망가닌, 즉, 구리 86%, 망간 12% 및 니켈 2%의 합금을 포함하거나, 이러한 합금으로 구성될 수 있다. 또는, 상기 제 3 바 부재는 콘스탄탄, 즉, 구리 55% 및 니켈 45%의 합금을 포함하거나, 이러한 합금으로 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 부가적인 션트를 위한 회로 캐리어 뿐만 아니라 부가적인 전용 션트도 생략할 수 있으므로 종래 전지 시스템에 비해 재료 비용과 설치공간 요구조건이 감소된 전지 시스템을 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 버스바는 잉여 전기 연결자와 유사하거나 동일한 방식으로 셀 단자에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 이유로 추가 고정 수단, 예를 들면, 추가적인 나사는 생략될 수 있어 상기 시스템은 전체적으로 견고해진다. 상기 션트 저항 증가는 추가적인 접촉을 필요로 하지 않으므로 상기 전지 시스템의 전체적인 접촉 저항은 감소된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 버스바의 제 1 바 부재의 하부 측은 제 1 극성의 적어도 하나의 제 1 셀 단자에 전기적 및/또는 구조적으로 연결되며, 제 2 바 부재의 하부 측은 제 2 극성의 동일한 개수의 제 2 셀 단자에 전기적 및/또는 구조적으로 연결될 수 있다. 상기 바 부재들은 그것들이 연결될 각 전지셀 단자에 맞게 재료, 크기, 형상이 조정될 수 있다. 상기 제 1 바 부재와 제 2 바 부재는 각각의 셀 단자들 중 하나 이상에 연결될 수 있고, 특히, 각 바 부재들은 병렬로 연결된 복수의 전지셀 단자들에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 바 부재는 동일한 재료를 포함하거나, 또는 제 1 극성의 제 1 셀 단자와 동일한 재료로 구성될 수 있으므로 바이메탈식 부식(bimetallic corrosion)을 용이하게 방지할 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 전체 제 1 바 부재의 재료 또는 실제로 제 1 단자와 접촉되는 접촉부 만이 제 1 단자의 재료로 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 바 부재는 동일한 재료를 포함하거나, 또는 제 2 극성의 제 2 셀 단자와 동일한 재료로 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 제 2 바 부재는 동일한 재료를 포함하거나, 또는 상기 제 2 극성의 제 2 셀 단자와 동일한 재료로 구성될 수 있으므로 바이메탈식 부식을 용이하게 방지할 수 있다. 여기서, 상기 전체 제 2 바 부재의 재료 또는 실제로 제 2 단자에 접촉되는 접촉부 만이 제 2 단자의 재료로 적용될 수 있다.
정리하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바에서 상기 제 1 바 부재, 제 2 바 부재 및 제 3 바 부재는 상이한 재료로 제조될 수 있고, 상기 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재는 제 1 극성 또는 제 2 극성을 갖는 단자의 재료가 적용될 수 있으며, 상기 제 3 바 부재는 예를 들면, 망가닌(manganin) 또는 콘스탄탄(constantan)과 같이 저항이 작은 재료로 만들어질 수 있다. 또한, 제 1 바 부재, 제 2 바 부재 및 제 3 바 부재는 상기 바 부재들 사이의 계면에서 최소 접촉 저항(minimal contact resistance)을 갖는 모놀리식 버스바(monolithic busbar)를 형성하도록 용접될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재 각각은 복수의 접촉부를 포함하며, 각 접촉부는 단일 셀 단자에 전기적으로 연결될 수 있다. 다시 말해, 상기 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재는 각각 세그먼트 구조를 포함하고, 각 세그먼트는 예를 들어, 형상 및 크기 면에서 단일 셀 단자에 전기적 및/또는 구조적으로 연결될 수 있다. 따라서, 상기 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재는 상기 전지 시스템의 전지셀 모듈 내에서 병렬로 연결된 전지셀들의 개수에 맞게 조정될 수 있다. 다시 말해, 상기 버스바는 전지셀 모듈들을 전기적으로 직렬 연결시키고, 각 전지셀 모듈은 병렬 연결된 복수의 단일 전지셀을 포함할 수 있다.
상기 인접한 전지셀들의 단자들은, 예를 들어 공간 제한으로 인한 단락(short) 또는 크리핑(creeping)을 방지하기 위해 즉각적으로 접촉하지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 바 부재 내의 인접 접촉부와 제 2 바 부재 내의 인접 접촉부는, 분리부에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 분리부의 크기는 인접한 전지 단자들 사이의 거리에 맞추어 조정될 수 있다. 다시 말해, 상기 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재는 세그먼트 구조로 이루어지고, 상기 바 부재들 내의 구역들은 분리부에 의해 상호 연결되며, 상기 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재는 전체적으로 제 3 바 부재, 즉, 션트 저항에 의해 상호 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 버스바의 길이 방향으로의 상기 분리부의 폭은, 상기 버스바의 길이 방향 및/또는 상기 전지 시스템의 길이 방향으로의 제 3 바 부재의 폭과 동일할 수 있다. 상기 제 3 바 부재와 분리부는 동일한 크기로 이루어져 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바는 전지 시스템 내에서 자유롭게 배치될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바와 상기 전기 연결자는 전지 시스템 내에서 상호 호환이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전기 연결자는 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바의 바 부재들과 동일한 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재를 포함할 수 있으나, 상기 전기 연결자의 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재는, 제 3 바 부재를 대신하는 또 다른 분리부를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 그럼에도 상기 버스바의 전체 크기는 적어도 전지 시스템의 길이 방향에서는 상기 전기 연결자의 크기와 동일할 수 있다.
상기 버스바와 전기 연결자의 구성의 대부분은 동일하기 때문에 모듈 시스템이 제공될 수 있고, 상기 전지 시스템의 상호 호환성(interchangeability) 및 모듈성(modularity)을 더욱 향상시키기 위해 상기 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재는 동일한 형상으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 버스바에서, 제 1 접촉 패드는 제 1 바 부재 상에 배치될 수 있다. 또 다른 예로서,제 1 접촉 패드는 제 1 바 부재의 상부 측에서 상기 제 3 바 영역에 바로 인접하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 버스바에서, 제 2 접촉 패드는 제 2 바 부재 상에 배치될 수 있다. 또 다른 예로서, 제 2 접촉 패드는 상기 제 2 바 부재의 상부 측에서 제 3 바 영역에 바로 인접하여 배치될 수 있다.
여기서, 상기 제 1 접촉 패드 및 제 2 접촉 패드는 션트 저항용 감지 회로에 고품질의 옴 접촉(ohmic contact)을 제공할 수 있다. 또는, 상기 접촉 패드들은, 예를 들어 각 접촉 패드를 감지 회로에 연결하는 와이어 연결과 같은 접촉 구조와 함께 낮은 접촉 저항을 갖는 고품질의 옴 접촉을 제공할 수 있다. 또는, 상기 제 3 바 부재 옆에 접촉 패드를 제공함으로써, 상기 션트는 병렬로 연결되고 제 1 바 부재 또는 제 2 바 부재에 의해 접촉되는 셀 단자의 개수와는 독립적으로, 단일 전지셀의 전류를 항상 측정할 수 있다. 또한, 바 부재의 표면의 일부분 만은 고품질의 옴 접촉을 위해 최적화 될 수 있으며, 예를 들면, 표면의 거칠기를 조정하거나 표면을 접촉제로 코팅함으로써 최적화시킬 수 있다. 따라서, 재료 비용은 추가로 감소하거나, 공정 단계를 생략하거나 최적화 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 극성의 제 1 시스템 단자와 제 2 극성의 제 2 시스템 단자를 포함하고, 상기 제 1 시스템 단자와 제 2 시스템 단자 사이에 복수의 전지셀 모듈이 직렬 연결되어 있는 전지 시스템을 제공한다. 여기서 각 전지셀 모듈은 적어도 하나의 전지셀을 포함하고, 복수의 전지셀들은 단일 전지셀 모듈 내에서 병렬 연결되며, 각 전지셀은 제 1 극성의 제 1 셀 단자 및 제 2 극성의 제 2 셀 단자를 포함할 수 있다. 상기 전지 시스템은 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 버스바를 더 포함한다. 상기 버스바는 제 1 셀 모듈의 적어도 하나의 제 2 셀 단자와 제 2 셀 모듈의 적어도 하나의 제 1 셀 단자를 전기적으로 상호 연결시킨다. 여기서, 상기 제 1 바 부재는 복수의 전지셀 모듈 중 제 1 셀 모듈의 적어도 하나의 제 2 셀 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 제 2 바 부재는 복수의 전지셀 모듈 중 제 2 셀 모듈의 적어도 하나의 제 1 셀 단자에 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 버스바는 셀 단자들을 상호 연결하기 위해 셀 단자에 용접 연결될 수 있다.
다시 말해, 상기 버스바는 상기 전지 시스템 내에서 제 1 전지셀 및/또는 제 1 전지셀 모듈 및 제 2 전지셀 및/또는 제 2 전지셀 모듈을 상호 연결시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 설치공간 및 배선 복잡성을 감소시키기 위해 인접한 전지셀들 및/또는 직렬로 연결된 전지셀 모듈들은 인접한 전지셀들 및/또는 전지셀 모듈들의 인접한 단자들이 상이한 극성을 갖도록 극성이 교번하여 전지 시스템에 배열될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템에서, 상기 버스바는 주로 서로 다른 재료로 구성된 서로 다른 극성의 단자들을 연결할 수 있다. 상기 제 1 바 부재 및 적어도 하나의 제 2 셀 단자는 제 1 재료를 포함할 수 있고, 제 2 바 부재 및 적어도 하나의 제 1 셀 단자는 제 2 재료를 포함할 수 있으며, 제 3 바 부재는 제 3 재료를 포함할 수 있다. 상기 제 1, 제 2 및 제 3 재료는 서로 다르다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템에서, 상기 전지 시스템의 길이 방향으로의 인접한 셀 단자들 사이의 거리는 전지 시스템의 길이 방향으로의 제 3 바 부재의 폭과 동일할 수 있다. 다시 말해, 상기 제 3 바 부재는 전지 시스템의 길이 방향으로 인접한 셀 단자들 사이의 자유 공간에 적용될 수 있다. 따라서, 각 셀 단자와 함께 바 부재 구역과의 접촉 면적이 최적화 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 전지 시스템은 션트를 포함하지 않는 셀 단자들을 상호 연결하기 위한 복수의 전기 연결자를 포함할 수 있다. 각각의 전기 연결자들은 상호 이격된 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재를 포함할 수 있고, 각 바 부재들은 형상, 크기 및/또는 재료 면에서 셀 단자에 전기적으로 연결되게 조정될 수 있다. 상기 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재는, 전술한 바와 같은 상기 버스바의 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재와 동일하게 구성될 수 있다. 또한, 상기 전기 연결자의 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재는 분리부에 의해 전기적 및 구조적으로 연결될 수 있다. 상기 분리부의 폭은 상기 전지 시스템의 길이 방향으로의 인접한 셀 단자들 사이의 거리와 동일할 수 있다. 이러한 실시예에 따른 본 발명의 전지 시스템은 버스바 및 전기 연결자에 대한 모듈 구조를 포함할 수 있으므로 재료 비용, 설치공간 요구조건 및 제조 복잡성이 감소될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 버스바 및 전기 연결자에서 제 1 바 부재는 제 2 바 부재와 동일한 형상 및 크기를 갖을 수 있다. 따라서, 상기 전기 연결자를 버스바로 변환시키기 위해서 하나의 분리 구역이 제 3 바 부재로 대체될 수 있고, 접촉 패드는 제 3 바 부재에 바로 인접하여 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 전지 시스템은 상기 버스바에 전기적으로 연결되고 감지 회로를 포함하는 셀 감시 회로(Cell Supervision Circuit, CSC)를 더 포함할 수 있고, 상기 감지 회로는 상기 션트 저항을 통한 전압 강하, 예를 들어 제 1 접촉 패드와 제 2 접촉 패드 사이의 전압을 검출할 수 있다. 상기 셀 감시 회로(CSC)는 제 1 접촉 패드에 전기적으로 연결된 제 1 감지 패드와 제 2 접촉 패드에 전기적으로 연결된 제 2 감지 패드를 포함할 수 있다. 상기 셀 감시 회로(CSC)는 각 전지 시스템의 전지셀의 셀 전압을 모니터링 할 수 있고, 개별 전지셀의 전압을 능동적 또는 수동적으로 균형을 맞출 수 있으며, 전기 소비자 또는 제어 전자 장치와 통신할 수 있다.
상기 셀 감시 회로(CSC)는 연성 회로 기판(FCP) 또는 인쇄 회로 기판(PCB)과 같은 회로 캐리어를 포함할 수 있고, 상기 감지 패드는 FCP 또는 PCB의 금속화 표면일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 버스바는 셀 감시 회로(CSC)에 와이어 연결될 수 있으며, 예를 들어 각 접촉 패드는 감지 패드 중의 하나에 와이어 연결될 수 있다. 상기 와이어는 알루미늄, 구리, 은 및 금 중에서 하나 이상을 포함할 수 있으며, 상기 셀 감시 회로(CSC)는 전압 측정을 위해 단일 전지셀과 개별적으로 연결되도록, 예를 들어 와이어 연결을 통해 연결되도록 구성된 금속화된 접촉면을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템의 제조 방법은, 제 1 셀 단자 및 제 2 셀 단자와 적어도 하나의 병렬로 연결된 전지셀을 각각 포함하는 복수 개의 전지셀 모듈을 제공하는 단계, 인접한 전지셀 모듈의 인접한 단자들이 서로 다른 극성을 갖도록 전지셀 모듈들을 적층함으로써 전지셀 모듈들을 조립하는 단계, 제 1 단자와 제 2 단자 사이에 직렬로 복수의 전지모듈을 전기적으로 연결하기 위해 본 발명에 따른 적어도 하나의 버스바 및 전기 연결자를 사용하여 인접한 전지모듈들의 셀 단자들을 상호 연결하는 단계, 상기 조립된 전지셀 모듈들과 CSC를 기계적으로 연결하는 단계를 포함하고, 단일 와이어 연결(single wire bonding step) 단계에서, 상기 CSC의 상기 금속화된 접촉면을 개별 전지셀 및 감지 패드와 버스바의 접촉 패드로 와이어 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템은 간단한 방법으로 제조될 수 있으며, 상기 션트 저항과 셀 감시 회로(CSC) 사이의 전기적 연결은, 전압 측정을 위한 셀 감시 회로(CSC)의 금속화된 접촉면과 개별 전지셀의 전기적 연결과 동시에 획득될 수 있다. 또한, 기존의 처리 방법은 상기 션트 저항을 이미 전지 시스템의 일부인 셀 감시 회로(CSC) 상에 제공된 감지 회로에 전기적으로 연결하는데 이용될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템에 션트 저항을 부가하기 위한 추가적인 장착 공정 또는 구성요소가 필요하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기에서 전술한 바와 같은 버스바 및/또는 전지 시스템을 포함하는 전기차를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 또 다른 측면은 하기의 설명으로부터 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 바 부재와 제 2 바 부재를 전기적으로 상호 연결시키는 제 3 부재가 션트 저항으로 이루어져 션트가 통합된 버스바를 제공함으로써 부가적인 션트를 위한 캐리어, 부가적인 전용 션트를 필요로 하지 않으므로 종래에 비해 비용, 설치 공간 요구조건 및 제조 복잡성이 감소된 전지 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전지 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 2의 전지 시스템의 회로 감지 회로의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전지 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 5는 도 4의 전지 시스템의 회로 감지 회로의 확대도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한 본 명세서에서, '및/또는' 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 즉, 본 명세서에서, 'A 및/또는 B'라는 기재는 'A 또는 B'는, 'A', 'B', 또는 'A와 B 모두'를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스바를 도시하고 있다. 상기 버스바(100)는 제 1 바 부재(10), 제 2 바 부재(20) 및 제 3 바 부재(30)를 포함한다. 상기 제 1 바 부재(10)는 분리부(12)에 의해 분리된 2개의 접촉부(11)를 포함하며, 상기 접촉부(11)는 평면으로 이루어지고, 상기 분리부(12)는 볼록한 곡면 형상(curved shape)을 갖는다. 그러나, 상기 분리부(12)는 접촉부들(11) 사이에서 편평하거나 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제 1 바 부재(10)는 제 2 극성의 두 개의 제 2 셀 단자들과 전기적으로 연결되기에 적합하다. 특히, 각 접촉부(11)는 하나의 제 2 셀 단자의 크기와 형상에 맞는 크기와 형상으로 이루어진다. 상기 제 1 바 부재(10)는 제 2 셀 단자의 재료인 알루미늄으로 구성된다. 최외측의 접촉부(11)는 양측 수축부(double-sided constriction, 13)를 더 포함하며, 상기 양측 수축부(13)는 내측 접촉부(11)의 폭 방향으로의 연장부보다 작은 버스바(100)의 폭 방향으로의 연장부를 포함한다. 도 3을 함께 참조하면, 상기 수축부(13) 내에서 상기 버스바(100)는 전지 시스템의 대응되는 지주(strut, 43)와 결합되도록 구성되어 상기 버스바(100)의 폭 방향에 수직한 버스바(100)의 길이 방향으로 버스바(100)를 고정시킬 수 있다.
상기 제 2 바 부재(20)는 분리부(22)에 의해 분리된 2개의 접촉부(21)를 포함하며, 상기 접촉부(21)는 평면으로 이루어지고, 상기 분리부(22)는 볼록한 곡면 형상을 갖는다. 그러나, 상기 분리부(22)는 상기 접촉부들(21) 사이에서 편평하거나 오목하게 형성될 수 있다. 상기 제 2 바 부재(20)는 제 1 극성의 두 개의 제 1 셀 단자들과 전기적으로 연결되기에 적합하다. 특히, 각 접촉부(21)는 하나의 제 1 셀 단자의 크기와 형상에 맞는 크기와 형상으로 이루어진다. 제 2 바 부재(20)는 제 1 셀 단자의 재료인 구리로 구성된다. 최외측 접촉부(21)는 양측 수축부(23)를 추가로 포함하며, 상기 양측 수축부(23)는 내측 접촉부(21)의 폭 방향으로의 연장부보다 작은 버스바(100)의 폭 방향으로의 연장부를 포함한다. 도 3을 함께 참조하면, 상기 수축부(23) 내에서 상기 버스바(100)는 전지 시스템의 대응되는 지주(43)와 결합되도록 구성되어 상기 버스바의 폭 방향에 수직한 버스바의 길이 방향으로 버스바를 고정시킬 수 있다. 상기 제 2 바 부재(20)는 상기 제 1 부재(10)와 동일한 크기와 형상으로 이루어진다.
상기 제 3 바 부재(30)는 제 1 바 부재(10)와 제 2 바 부재(20) 사이에서 용접되어 제 1 바 부재(10)와 제 2 바 부재(20)는 구조적 및 전기적으로 연결된다. 상기 제 3 바 부재(30)는 버스바(100)의 폭 방향으로의 제 1 바 부재(10)와 제 2 바 부재(20)의 연장부보다 작은 연장부를 포함한다. 상기 제 3 바 부재(100)는 망가닌(manganin)으로 이루어져 온도에 거의 민감하지 않은 낮은 옴 저항(ohmic resistance)을 갖는다. 상기 제 1 바 부재(10)의 상기 내부 접촉부(11)는 제 1 접촉 패드(14)를 포함하고, 상기 제 2 바 부재(20)의 상기 내부 접촉부(21)는 제 2 접촉 패드(24)를 포함한다. 상기 제 1 접촉 패드(14) 및 제 2 접촉 패드(24)는 상기 제 3 바 부재(30)에 바로 인접하여 위치한다. 전지 시스템의 작동 과정에서, 상기 제 1 바 부재(10)는 제 2 극성의 셀 단자에 전기적으로 연결되고, 상기 제 2 바 부재(20)는 제 1 극성의 셀 단자에 전기적으로 연결된다. 그 다음으로 상기 셀 단자들 사이에 흐르는 전류는, 제 1 접촉 패드(14) 및 제 2 접촉 패드(24)를 감지 회로에 적절하게 연결시켜 제 3 부재(30)를 통해 측정된 전압 강하로부터 도출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템을 도시하고, 도 3은 상기 전지 시스템의 회로 감지 회로의 확대도를 도시한다. 상기 회로 감지 회로(CSC, circuit sensing circuit)는 상기 전지 시스템의 상부에 장착된다. 상기 CSC(50)는 전기 부품들이 장착되는 복수의 표면을 갖는 인쇄회로 기판(Printed Circuit Board, PCB)과 이러한 전기 부품들을 상호 연결하기 위한 금속화된 표면을 포함한다. 상기 전지 시스템의 상부에는 본 발명에 따른 버스바(100)와 상기 전지 시스템 내에 적층된 전지셀들의 4개의 셀 단자에 구조적 및 전기적으로 복수의 전기 연결자(101)가 더 포함된다. 따라서, 상기 전지 시스템에서 각 전지셀 모듈은 병렬 연결된 2개의 전지셀을 포함하고, 각각의 전기 연결자(101)와 버스바(100)는 2개의 전지셀 모듈을 전기적으로 직렬 연결시킨다. 상기 CSC(50)는 알루미늄 와이어(60)를 통해 제 1 접촉 패드(14)에 전기적으로 연결된 제 1 감지 패드(51) 및 또 다른 알루미늄 와이어(60)를 통해 제 2 접촉 패드(24)에 전기적으로 연결된 제 2 감지 패드(52)를 더 포함한다. 상기 와이어(60)와 접촉부(11, 21) 사이의 접촉 저항을 감소시키기 위해, 상기 제 1 바 부재(10) 및 제 2 바 부재(20)의 상부 표면(15, 25)에는 알루미늄 접촉 패드(14, 24)가 코팅된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 시스템을 도시하고, 도 5는 상기 전지 시스템의 회로 감지 회로의 확대도를 도시한다. 여기서 복수의 각형 전지셀들(80)은 인접한 전지셀(80)의 넓은 측면이 서로 마주보도록 전지 시스템(200)의 길이 방향으로 적층된다. 두 개의 전지셀들(80)은 전기적으로 병렬 연결되어 하나의 전지셀 모듈(90)을 형성한다. 상기 전지 시스템(200)에서 차후의 전지셀 모듈(90)은 극성이 교번하여 배열된다. 즉, 제 1 전지셀 모듈(91)이 상기 전지 시스템(200)의 상부 측에 제 1 극성의 2개의 단자를 포함하고, 하부 측에 제 2 극성의 2개의 단자를 포함하는 경우, 인접한 제 2 전지셀 모듈(92)은 전지 시스템(200)의 상부 측에 제 2 극성의 2개의 단자를 포함하고, 하부 측에 제 1 극성의 2개의 단자를 포함하도록 배열된다. 따라서, 예를 들어, 상기 전지 시스템(200)의 하부 측의 제 2 극성의 2개의 단자 및 전지 시스템(200)의 하부 측의 제 1 극성의 2개의 단자는 버스바(100) 또는 전기 연결자(10)를 통해 전기적으로 상호 연결되어 전지셀 모듈들(91, 92)은 전기적으로 직렬 연결된다. 상기 전지 시스템(200)에 적층된 복수의 전지셀 모듈(90)은 전지 시스템(200)의 제 1 시스템 단자(41)와 제 2 시스템 단자(42) 사이에서 전기적으로 직렬 연결된다. 상기 전지 시스템(200)은 전지 시스템(200)의 측면에 기계적으로 연결된 CSC(50)를 더 포함한다. 상기 CSC(50)는 알루미늄 와이어(60)를 통해 제 1 바 부재(10)의 내부 접촉부(11)에 전기적으로 연결된 제 1 감지 패드(51) 및 또 다른 알루미늄 와이어(60)를 통해 제 2 바 부재(20)의 내부 접촉부(21)에 전기적으로 연결된 제 2 감지 패드(52)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 전자 또는 전기 장치 및/또는 임의의 다른 관련 장치 또는 구성요소는 임의의 적합한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 특정 용도의 집적 회로), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 이러한 장치들의 다양한 구성 요소는 하나의 집적 회로(Integrated Circuit, IC)칩 또는 개별 IC 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 이러한 장치들의 다양한 구성요소는 연성의 인쇄회로 필름, 테이프 캐리어 패키지(Tape Carrier Package, TCP), 인쇄회로 기판(PCB) 또는 하나의 기판 상에 구현될 수 있다. 본 명세서 상에 기재된 전기적 연결 또는 상호 연결은, 와이어 또는 전도성 부재, 예를 들면, PCB 또는 다른 종류의 회로 캐리어 상에서 구현될 수 있다. 상기 전도성 부재들은 금속판, 예를 들어, 금속화된 표면 및/또는 핀, 및/또는 전도성 중합체 또는 세라믹을 포함할 수 있다. 추가적인 전기 에너지는 무선 연결, 예를 들어, 전자기 방사 및/또는 빛을 통해 전송될 수 있다.
또한, 이러한 장치들의 다양한 구성들은, 하나 이상의 프로세스, 컴퓨팅 장치에서 실행되고, 컴퓨터 프로그램 명령을 수행하며, 본 명세서 상에 기재된 다양한 기능들을 수행하기 위해 다른 시스템 구성들과 상호 작용하는 프로세스(process) 또는 스레드(thread)일 수 있다. 상기 컴퓨터 프로그램 명령은 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같은 표준 메모리 장치를 사용하는 컴퓨팅 장치에서 구현될 수 있는 메모리에 저장된다. 또한, 상기 컴퓨터 프로그램 명령은 CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 비일시적인(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다.
또한, 당업자는 본 발명의 예시적인 실시예의 범위를 벗어나지 않고 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 단일 컴퓨팅 장치에 결합 또는 통합될 수 있거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치에 걸쳐 분산될 수 있음을 인식해야 한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
- 부호의 설명 -
10: 제 1 바 부재 20: 제 2 바 부재
11, 21: 접촉부 12, 22: 분리부
13, 23: 수축부 14, 24: 제 1, 제 2 접촉 패드
30: 제 3 바 부재
50: 회로 감지 회로 51, 52: 제 1, 제 2 감지 패드
80: 전지셀 90: 전지셀 모듈
100: 버스바 200: 전지 시스템

Claims (15)

  1. 상호 이격된 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재; 및
    상기 제 1 바 부재와 상기 제 2 바 부재를 연결하여 공통 바(common bar)를 형성하는 제 3 바 부재;를 포함하고,
    상기 제 3 바 부재는 옴 저항을 갖는 션트 저항(shunt resistance)으로서, 상기 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재를 전기적으로 상호 연결시키는 전지 시스템 용 버스바.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 바 부재는 제 1 극성(first polarity)의 적어도 하나의 제 1 셀 단자에 전기적으로 연결되고,
    상기 제 2 바 부재는 제 2 극성(second polarity)의 동일한 개수의 제 2 셀 단자에 전기적으로 연결되는 전지 시스템 용 버스바.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재는 복수의 접촉부를 포함하고,
    상기 각 접촉부는 단일 셀 단자에 전기적으로 연결되는 전지 시스템 용 버스바.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 바 부재 내의 인접한 접촉부와 제 2 바 부재 내의 인접한 접촉부는 분리부에 의해 전기적으로 연결되는 전지 시스템 용 버스바.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 버스바의 길이 방향으로의 분리부의 폭(width)은 상기 버스바의 길이 방향으로의 제 3 바 부재의 폭과 동일한 전지 시스템 용 버스바.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 바 부재는 제 1 극성의 셀 단자에 적용되는 제 1 재료로 구성되고,
    상기 제 2 바 부재는 제 2 극성의 셀 단자에 적용되는 제 2 재료로 구성되며,
    제 3 바 부재는 망가닌(manganin) 또는 콘스탄탄(constantan)으로 구성되는 전지 시스템 용 버스바.
  7. 제 1 항에 있어서,
    제 1 접촉 패드는 상기 제 3 바 부재에 바로 인접한 제 1 바 부재 상에 배치되고,
    제 2 접촉 패드는 제 3 바 부재에 바로 인접한 제 2 바 부재 상에 배치되는 전지 시스템 용 버스바.
  8. 제 1 극성의 제 1 시스템 단자 및 제 2 극성의 제 2 시스템 단자;
    상기 제 1 시스템 단자와 제 2 시스템 단자 사이에 직렬로 연결되고, 제 1 극성의 제 1 셀 단자와 제 2 극성의 제 2 셀 단자를 각각 갖는 적어도 하나의 전지셀을 포함하는 복수의 전지셀 모듈;
    상기 복수의 전지셀 모듈 중 제 1 셀 모듈의 적어도 하나의 제 2 셀 단자와 상기 복수의 전지셀 모듈 중 제 2 셀 모듈의 적어도 하나의 제 1 셀 단자를 전기적으로 상호 연결시키는 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 버스바;를 포함하고,
    상기 제 1 바 부재는 상기 제 1 셀 모듈의 적어도 하나의 제 2 셀 단자에 전기적으로 연결되고,
    상기 제 2 바 부재는 상기 제 2 셀 모듈의 적어도 하나의 제 1 단자에 전기적으로 연결되는 전지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 바 부재와 상기 적어도 하나의 제 2 셀 단자는 제 1 재료를 포함하고,
    상기 제 2 바 부재와 상기 적어도 하나의 제 1 셀 단자는 제 2 재료를 포함하는 전지 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전지 시스템의 길이 방향으로의 인접한 셀 단자들 사이의 거리는 상기 전지 시스템의 길이 방향으로의 제 3 바 부재의 폭과 동일한 전지 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 전지 시스템 내에서 상기 버스바와 상호 호환이 가능한 전기 연결자(electrical interconnector)를 더 포함하고,
    상기 전기 연결자는 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재를 포함하며,
    상기 전기 연결자의 제 1 바 부재 및 제 2 바 부재는 분리부에 의해 전기적 및 구조적으로 연결되는 전지 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 버스바에 전기적으로 연결된 셀 감시 회로와 션트 저항을 통한 전압 강하를 측정하도록 구성된 감지 회로를 더 포함하는 전지 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 셀 감시 회로는 상기 제 1 접촉 패드에 전기적으로 연결된 제 1 감지 패드와 상기 제 2 접촉 패드에 전기적으로 연결된 제 2 감지 패드를 포함하는 전지 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 버스바는 상기 셀 감시 회로에 와이어 연결되는 전지 시스템.
  15. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 버스바 또는 제 8 항 내지 제 14 중 어느 한 항에 따른 전지 시스템을 포함하는 전기차.
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