WO2019151657A1 - 직병렬 변환 장치 및 이를 구비한 배터리 모듈 - Google Patents

직병렬 변환 장치 및 이를 구비한 배터리 모듈 Download PDF

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WO2019151657A1
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장재영
권재국
김상진
손영수
이영규
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Definitions

  • the present invention relates to a serial-to-parallel converter and a battery module having the same, and more particularly, to a serial-to-parallel converter and a battery module having the same, which can simply convert a plurality of battery cells into various serial forms. It is about.
  • Such lithium secondary batteries mainly use lithium-based oxides and carbon materials as positive electrode active materials and negative electrode active materials, respectively.
  • the lithium secondary battery includes an electrode assembly in which a positive electrode plate and a negative electrode plate coated with the positive electrode active material and the negative electrode active material are disposed with a separator interposed therebetween, and a packaging material that seals the electrode assembly together with the electrolyte solution, that is, a battery case.
  • the lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator and an electrolyte interposed therebetween, and a lithium ion battery (LIB), a lithium polymer battery (Polymer Lithium Ion Battery) depending on which of the positive electrode active material and the negative electrode active material are used. , PLIB) and the like.
  • the electrode of these lithium secondary batteries is formed by apply
  • a technique for converting a connection relationship of a plurality of battery cells in series or in parallel using a conventional sliding parallel / parallel switch is disclosed.
  • the connection of the battery cells is monotonous, and in order to switch the complex connected battery cells, the length of the switch has to be increased or the number has to be increased, thereby increasing the volume. .
  • an object of the present invention is to provide a serial-to-parallel converter and a battery module having the same, which can simply convert a plurality of battery cells into various serial-type forms.
  • the input plate connected to each of the positive and negative electrodes of the plurality of battery cells;
  • An output plate spaced apart from the input plate and connected to an external terminal;
  • a rotatable plate rotatably interposed between the input plate and the output plate and electrically connected to the input plate and the output plate and converting a serial connection and a parallel connection of the plurality of battery cells through rotation; And a case in which the input plate, the output plate, and the rotating plate are accommodated.
  • the rotary plate may be formed with a first protrusion that can be in contact with the input plate.
  • the output plate may be formed with a second protrusion that can be in contact with the rotating plate.
  • the input plate, the rotating plate, and the output plate may be stacked on each other, and the input plate may be fixed.
  • the output plate may be provided to be movable in a direction closer to the input plate and in a direction away from the input plate.
  • the output plate may be in contact with the rotating plate and move together with the rotating plate to move closer to the input plate and away from the input plate.
  • a fixing protrusion or a fixing groove is formed in the output plate and the case, and may be provided to limit rotation of the output plate by coupling the fixing protrusion and the fixing groove.
  • the rotating plate may be connected to a rotating shaft rotatably provided, and a through hole may be formed in the output plate to insert the rotating shaft.
  • the rotating shaft includes a moving means for moving the rotating plate in a direction away from the input plate and an elastic member for moving the rotating plate in a direction approaching the input plate.
  • the case includes the elastic member.
  • An elastic member seating portion may be formed.
  • the rotating shaft is provided with a rotating means for rotating the rotating plate, the rotating means is provided in the case, the first inclined portion is formed so that one end is inclined, the first teeth spaced at a predetermined interval from each other ; And second teeth coupled to the rotation shaft and corresponding to the first inclined portion of the first tooth, and spaced apart from each other at predetermined intervals.
  • an insulation region may be formed in at least a portion of the rotating plate.
  • the insulating zone may be formed in a straight shape so as to pass through the center of the rotating plate.
  • the rotation plate may include a simultaneous connection region connected to the anode of one cell and the cathode of the other cell by the rotation of the rotating plate.
  • the above-described serial-to-parallel conversion device A plurality of battery cells connected to the serial-to-parallel converter; And a battery management unit (BMU) that is electrically connected to the plurality of battery cells through the serial to serial converter and controls the battery cells.
  • BMU battery management unit
  • the rotation plate may include a simultaneous connection area connected to the positive electrode of one cell and the negative electrode of the other cell by the rotation of the rotary plate, the battery management unit may be connected to the simultaneous connection area.
  • Embodiments of the present invention there is an effect that it is possible to simply convert a plurality of battery cells in a variety of serial form by the input plate, the rotating plate, the output plate.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a battery module equipped with a serial-to-parallel converter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a serial-to-parallel converter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is an exploded perspective view of an input plate, an output plate, and a case in a serial-to-parallel converter according to an embodiment of the present invention.
  • 4 to 7 is a view showing a process of the rotating shaft is rotated by the rotating means in the serial-to-parallel conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a series of parallel connection of battery cells by FIG. 8.
  • 10 (a) to 10 (c) are schematic views of an input plate, a rotating plate, and an output plate separated for a serial to parallel connection according to another embodiment in a serial to parallel conversion device according to an embodiment of the present invention. Drawing.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a series of parallel connection of battery cells by FIG. 10.
  • the term 'bonding' or 'connection' is used indirectly or indirectly coupled to another member through a joint member as well as when one member and the other member are directly joined or directly connected. It also includes the case where it is connected.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a battery module provided with a serial-to-parallel converter according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view of a serial-to-parallel conversion device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is one of the present invention An exploded perspective view of an input plate, an output plate, and a case in the serial-to-parallel converter according to the embodiment.
  • a serial-to-parallel converter 10 includes an input plate 100, an output plate 200, a rotating plate 300, and a case 400. It includes.
  • the input panel 100 is connected to each of the positive electrode and the negative electrode of the plurality of battery cells 20.
  • the input panel 100 may have eight divided areas (see FIGS. 8 (a) and 10 (a)), and four battery cells 20a, 20b, 20c, each of the eight divided areas.
  • the positive electrode and the negative electrode of 20d) are connected. That is, the input plate 100 formed in a circular shape is divided into eight pieces so as to have the same area, and the anodes of the four battery cells 20a, 20b, 20c, and 20d are divided into eight divided areas of the input plate 100 divided into eight parts.
  • the cathode is connected.
  • the number of the battery cells 20 and the input panel 100 divided into eight is provided by way of example only.
  • the number of battery cells 20 and the number of divided areas of the input panel 100 may vary. have. In addition, if necessary, the divided areas of the input panel 100 may not be the same and may have different areas. However, for convenience of description, a case where the input panel 100 is divided into eight equal parts of the same area and four battery cells 20 will be described.
  • the input plate 100 may be connected to the cathode and the anode of the battery cell 20 in various ways, for example, through a wire 50 that is a conductor (see FIG. 1). However, the connection method is not limited to the wire 50.
  • the input plate 100 is accommodated in the case 400 and may be fixed to the case 400 in various ways.
  • a fixing groove (not shown) is formed in the case 400 and a fixing protrusion (not shown) is formed in the input plate 100, and the fixing groove (not shown) and the input plate 100 of the case 400 are formed.
  • the fixing protrusions (not shown) of the input unit 100 may be coupled to the case 400.
  • a fixing protrusion 410 is formed in the case 400, and a fixing groove 110 is formed in the input plate 100, and the fixing protrusion 410 and the input plate of the case 400 are formed.
  • the fixing groove 110 of the 100 is coupled to the input plate 100 may be fixed to the case 400.
  • the rotating plate 300 may linearly move and rotate in a direction approaching the input plate 100 and a direction away from the input plate 100.
  • the output plate 200 may not rotate, but is in contact with the rotating plate 300 along the straight line in a direction away from the input plate 100 together with the rotating plate 300 and near the input plate 100. I can move it. However, since the input panel 100 is completely fixed to the case 400, it cannot move along a straight line or rotate.
  • the input plate 100 may be disposed such that the rotating plate 300 and the output plate 200 are stacked on each other.
  • the input plate 100 is disposed on the left side based on FIG. 2
  • the output plate 200 is disposed on the right side based on FIG. 2
  • the rotating plate 300 is an input plate ( It is disposed between the 100 and the output plate 200 is in contact with each other and electrically connected.
  • the rotating plate 300 rotates away from the input plate 100 and contacts the input plate 100 again. Detailed description thereof will be described later.
  • the output plate 200 is spaced apart from the input plate 100.
  • the voltage of the battery cell 20 is output through the input plate 100, the rotating plate 300, and the output plate 200 electrically connected to the battery cell 20, the output voltage is a variety of electronic It may be connected to an external terminal 40 such as a device, an electronic device, or an automobile, and supplied to various electronic devices, electronic devices, or automobiles.
  • the output plate 200 may be connected to the external terminal 40 in various ways, for example, through a wire 60 which is a conductor (see FIG. 1). However, the connection method is not limited to the wire 60.
  • the output plate 200 is accommodated in the case 400 and may be fixed to the case 400 in various ways.
  • a fixing groove (not shown) is formed in the case 400 and a fixing protrusion (not shown) is formed in the output plate 200, and the fixing groove (not shown) and the output plate 200 of the case 400 are formed.
  • the fixing protrusion (not shown) of the) is coupled to the output plate 200 may be fixed to the case 400.
  • the fixing protrusion 420 is formed in the case 400
  • the fixing groove 220 is formed in the output plate 200
  • the fixing protrusion 420 and the output plate of the case 400 are formed.
  • the fixing groove 220 of the 200 is coupled to the output plate 200 may be fixed to the case 400.
  • the output plate 200 is fixed to the case 400 is limited to rotate in the rotation direction of the rotating plate (300).
  • the output plate 200 may be fixed to the fixing groove 220 in a straight line along the fixing protrusion 420. That is, referring to FIG. 2, the output plate 200 may linearly move in the left-right direction, that is, the arrow N direction or the F direction based on FIG. 2, but may not rotate.
  • the wire 50 and the output plate 200 connecting the input plate 100 and the battery cell 20 to each other.
  • the wire 60 connecting the external terminal 40 are not twisted with each other, whereby the electrical connection between the input plate 100 and the battery cell 20 and the electrical connection between the output plate 200 and the external terminal 40 are performed.
  • the connection is stable. That is, for example, if the input plate 100 is provided to rotate, the plurality of wires 50 connecting the input plate 100 and the battery cell 20 are twisted with each other, thereby making the electrical connection unstable, and also the input. If the number of revolutions of the plate 100 increases, there is also a problem that can no longer rotate due to the tension of the wires 50 twisted together. And, such a problem occurs even when the output plate 200 is provided to rotate.
  • serial-to-parallel converter 10 is configured such that the input plate 100 and the output plate 200 do not rotate, and the rotating plate between the input plate 100 and the output plate 200. Since only 300 is rotated, there are effects as described above, that is, various problems due to twisting of the wires 50 and 60 connected to the input plate 100 or the output plate 200 do not occur.
  • the output plate 200 may be provided with a second protrusion 210 that may contact the rotating plate 300. That is, since the output plate 200 and the rotating plate 300 are electrically connected through the second protrusion 210, the second protrusion 210 has a function of a contact point.
  • the second protrusion 210 may have various numbers and shapes, and may be manufactured integrally with the output plate 200, or may be coupled to the output plate 200 by welding or the like.
  • the output plate 200 may be provided to move in a direction closer to the input panel 100, that is, in the N direction of FIG. 2 and in a direction away from the input panel 100, that is, in the F direction of FIG. 2.
  • the second protrusion 210 of the output plate 200 may contact the rotating plate 300 to move in a direction closer to the input plate 100 together with the rotating plate 300 and a direction away from the input plate 100.
  • the second protrusion 210 and the output plate 200 that are in contact with the rotating plate 300 also move together with the rotating plate 300. Away from 100).
  • the output plate 200 and the rotating plate 300 may move in a direction closer to the input plate 100.
  • the rotating plate 300 is the rotating means 700.
  • the rotating plate 300 rotates while being in contact with the second protrusion 210.
  • a round curved surface may be formed at an end portion of the second protrusion 210 contacting the rotating plate 300 so as to reduce the contact friction force between the rotating plate 300 and the second protrusion 210.
  • the rotating plate 300 may be rotatably interposed between the input plate 100 and the output plate 200 to be electrically connected to the input plate 100 and the output plate 200.
  • the rotating plate 300 may convert a serial connection and a parallel connection of the plurality of battery cells 20 through rotation.
  • the first projection 310 may be formed in the rotating plate 300 to be in contact with the input plate 100. That is, since the rotary plate 300 and the input plate 100 are electrically connected through the first protrusion 310, the first protrusion 310 has a function of a contact point.
  • the first protrusion 310 may have various numbers and shapes, and may be manufactured integrally with the rotating plate 300 or may be coupled to the rotating plate 300 by welding or the like.
  • the rotating plate 300 may be provided to move in a direction closer to the input plate 100, that is, in the N direction of FIG. 2 and in a direction away from the input plate 100, that is, in the F direction of FIG. 2.
  • the rotating plate 300 may be connected to the rotating shaft 320 rotatably provided, and the rotating plate 300 may also rotate by the rotation of the rotating shaft 320.
  • a through hole 230 (see FIG. 3) may be formed in the output plate 200 to insert the rotation shaft 320.
  • the rotating shaft 320 may rotate in various ways.
  • a power source such as a motor may be coupled to the rotating shaft 320 to rotate the rotating shaft 320.
  • the rotating means 700 may be provided on the rotating shaft 320 to rotate the rotating plate 300.
  • 4 to 7 is a view showing a process of the rotating shaft is rotated by the rotating means in the serial-to-parallel conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the rotation means 700 may include first teeth 710 and second teeth 720.
  • the first teeth 710 may be provided in the case 400 and the first inclined portion 711 may be formed such that one end thereof is inclined.
  • the first teeth 710 are spaced apart from each other at a predetermined interval.
  • Predetermined intervals of the first teeth 710 are preferably the same interval, but is not limited thereto.
  • the second teeth 720 may be coupled to the rotation shaft 320, and a second inclined portion 721 corresponding to the first inclined portion 711 of the first teeth 710 may be formed.
  • the second teeth 720 are spaced apart from each other at a predetermined interval.
  • the predetermined interval of the second teeth 720 is preferably the same interval as the predetermined interval of the first teeth 710, but is not limited thereto.
  • any one second tooth 720 marked B is positioned on the right side of FIG. 4 with respect to any one first tooth 710 marked A.
  • FIG. 4 when the rotation shaft 320 moves away from the input plate 100 by, for example, a solenoid, that is, in the X direction of FIG. 4, the first tooth 710 and the B mark marked with A are displayed.
  • the second tooth 720 is located as shown in FIG.
  • the means for moving the rotary shaft 320 is not necessarily limited to the solenoid, and may be provided to move the rotary shaft 320 away from the input plate 100 by various power sources such as a step motor.
  • the operation of the solenoid is stopped and the rotation shaft 320 is, for example, the elastic member 600. It moves toward the input plate 100 by the elastic recovery force, that is, in the Y direction of FIG.
  • the second inclined portion 721 of the second tooth tooth 720 marked with B moves along the first inclined portion 711 of the first tooth 710 with the A mark in the Y direction while rotating shaft 320.
  • the rotating shaft 320 may rotate by a predetermined angle, and the rotating plate 300 coupled to the rotating shaft 320 may also rotate. That is, the rotating plate 300 moves in a direction away from the input plate 100 so that the first protrusion 310 is separated from the input plate 100, that is, the rotating plate 300 and the input plate 100 are not in contact with each other. Rotate in the state.
  • the rotating method of the rotating plate 300 may be rotated by a motor or the like, or may be rotated by the above-described rotating means 700.
  • the rotating plate 300 is configured to rotate by a motor or the like, the rotating plate 300 rotates away from the input plate 100, and when the rotation is completed, the rotating plate 300 moves to the input plate 100 to be in contact with the input plate 100. Can be prepared. And, if the rotating plate 300 is configured to rotate by the rotating means 700, that is, the first teeth 710 and the second teeth 720, the rotating plate 300 is separated from the input plate 100 After the movement to the input plate 100 may be provided to rotate together.
  • the rotating plate 300 may move in a direction away from the input plate 100, for example, the F direction of FIG. 2, and a direction closer to the input plate 100, for example, the N direction of FIG. 2.
  • a moving means 500 and an elastic member 600 for moving the rotating shaft 320 coupled to the rotating plate 300 to move the rotating plate 300 may be provided.
  • the moving unit 500 is coupled to the rotating shaft 320 to move the rotating plate 300 in a direction away from the input plate 100.
  • the moving means 500 may include, for example, a solenoid, but is not limited thereto and may include various power sources such as a motor.
  • the elastic member 600 is coupled to the rotating shaft 320 to move the rotating plate 300 in a direction closer to the input plate 100.
  • the case 400 may be formed with an elastic member seating portion 430 on which the elastic member 600 is seated.
  • the elastic member 600 is contracted by the output plate 200.
  • the output plate 200 moves in the N direction by the elastic recovery force of the elastic member 600, and the rotating plate 300 in contact with the output plate 200 also moves in the N direction. do.
  • the rotating plate 300 is rotated by a predetermined angle by the rotating means 700 while moving in the N direction.
  • the elastic member 600 includes a variety of materials having elasticity, for example, may be provided as a coil spring.
  • An insulating region 330 may be formed in at least a portion of the rotating plate 300 (see FIGS. 8B and 10B).
  • the insulation region 330 may be formed in a straight shape so as to pass through the center of the rotating plate 300.
  • the shape and position of the insulation region 330 may vary as necessary.
  • the rotating plate 300 may include a simultaneous connection region 340 which is simultaneously connected to the positive electrode of one cell and the negative electrode of the other cell by the rotation of the rotating plate 300 (see FIG. 10 (b)).
  • the region I ′ which is one simultaneous connection region 340 in FIG. 10 (b)
  • the region III ′ which is the simultaneous connection region 340
  • the battery management unit 30 may be connected to the simultaneous connection area 340. Detailed description thereof will be described later.
  • the case 400 accommodates the input plate 100, the output plate 200, and the rotating plate 300.
  • a fixing groove (not shown) or a fixing protrusion 410 may be formed to fix the input plate 100, and a fixing groove (not shown) so that the output plate 200 may be fixed.
  • the fixing protrusion 420 may be formed.
  • a driving groove 440 (see FIG. 2) may be formed in the case 400 to enable the rotating plate 300 to rotate and move. That is, the rotating plate 300 may rotate in the driving groove 440 formed in the case 400 and move in the N direction and the F direction of FIG. 2.
  • the input plate 100, the rotating plate 300, and the output plate 200 may be sequentially stacked in the case 400.
  • the input plate 100, the output plate 200, and the rotating plate 300 may be formed in a circular shape.
  • the input panel 100 is fixed to the case 400.
  • the rotating plate 300 may not only move away from the input plate 100 or move in contact with the input plate 100, but also rotate in a state away from the input plate 100.
  • the output plate 200 is coupled to the case 400 is limited in rotation but in contact with the rotating plate 300 in the direction away from the input plate 100 with the rotating plate 300 or close to the input plate 100 I can move it.
  • the electrical connection state of the plurality of battery cells 20 is converted.
  • the conversion of the electrical connection state of the plurality of battery cells 20 will be described below with reference to the drawings.
  • FIG. 8 (a) to 8 (c) schematically illustrate an input plate, a rotating plate, and an output plate separated for a parallel-to-parallel connection according to one embodiment in a serial-to-parallel conversion device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view illustrating a battery cell connected in series and parallel by FIG. 8
  • FIGS. 10 (a) to 10 (c) illustrate a parallel-to-parallel converter according to an embodiment of the present invention.
  • an input plate, a rotating plate, and an output plate are schematically illustrated to be separated in order to connect a serial and a parallel
  • FIG. 11 is a view illustrating a battery cell connected in series and parallel by FIG. 10.
  • FIGS. 8A to 8C the input plate 100, the rotating plate 300, and the output plate 200 are illustrated in one plane.
  • the input panel 100 may have eight divided areas, and each of the eight divided areas may include four battery cells 20a, 20b, 20c, and 20d.
  • the positive electrode and the negative electrode are connected.
  • the rotating plate 300 is connected to the negative electrode of the first battery cell 20a and the negative electrode of the second battery cell 20b in region I, which corresponds to region I of FIG. 9.
  • the rotating plate 300 is connected to the negative electrode of the third battery cell 20c and the negative electrode of the fourth battery cell 20d in region II, which corresponds to region II of FIG. 9.
  • the rotating plate 300 is connected to the positive electrode of the first battery cell 20a and the positive electrode of the second battery cell 20b in region III, which corresponds to region III of FIG. 9.
  • the rotating plate 300 is connected to the positive electrode of the third battery cell 20c and the positive electrode of the fourth battery cell 20d in the IV region, which corresponds to the IV region of FIG. 9.
  • the output plate 200 does not rotate, but the connection state of the output is converted by the rotation of the rotating plate 300. That is, the negative electrode of the external terminal 40 is connected to the X region of the output plate 200, and the positive electrode of the external terminal 40 is connected to the Y region of the output plate 200. This corresponds to X and Y in FIG. 9.
  • the rotating plate 300 is rotated to be in the same position as in FIG. 8B, the four battery cells 20a, 20b, 20c and 20d are connected in parallel as in FIG. 9.
  • the input panel 100 since the input panel 100 is the same as that of FIG. 8A, the input panel 100 may have eight divided areas, and each of the eight divided areas may include four battery cells ( The positive electrode and the negative electrode of 20a, 20b, 20c, and 20d) are connected.
  • the rotating plate 300 is connected to the positive electrode of the first battery cell 20a and the negative electrode of the second battery cell 20b in the region I ′, which corresponds to the region I ′ of FIG. 11.
  • the region I ′ of the rotating plate 300 is an area connected to the VM of the output plate 200 and corresponds to the simultaneous connection area 340, and the battery management unit 30 through the output plate 200. This is connected.
  • the rotating plate 300 is connected to the negative electrode of the first battery cell 20a and the negative electrode of the fourth battery cell 20d in the II ′ region, which corresponds to the II ′ region of FIG. 11.
  • the rotating plate 300 is connected to the cathode of the third battery cell 20c and the anode of the fourth battery cell 20d in the region III ′, which corresponds to the region III ′ of FIG. 11.
  • region III ′ of the rotating plate 300 is an area connected to the VM of the output plate 200, and corresponds to the simultaneous connection area 340, and the battery management unit 30 is provided through the output plate 200. This is connected.
  • the rotating plate 300 is connected to the positive electrode of the second battery cell 20b and the positive electrode of the third battery cell 20c in the region IV ′, which corresponds to the region IV ′ of FIG. 11.
  • the output plate 200 does not rotate, but the connection state of the output is converted by the rotation of the rotating plate 300.
  • the polarity of the rotating plate 300 and the output plate 200 have the same polarity.
  • the first battery cell 20a and the second battery cell 20b are connected in series, and the third battery cell ( 20c and the fourth battery cell 20d are also connected in series, and each of the first battery cell 20a and the second battery cell 20b, the third battery cell 20c and the fourth battery cell ( 20d) are connected in parallel.
  • the serial / parallel connection of the battery cells 20 may be variously converted by the rotation of the rotating plate 300.
  • the input panel 100 has eight divided areas and is connected to four battery cells 20a, 20b, 20c, and 20d, but if the divided area of the input panel 100 and the number of battery cells 20 are changed. More variety of serial and parallel connections are possible.
  • a battery module 1 having a serial to parallel converter may include a serial to parallel converter 10, a plurality of battery cells 20, and a battery management unit. (30).
  • serial-to-parallel converter 10 is replaced with the above description.
  • the battery cells 20 may include, for example, various types of cylinders, squares, or pouches.
  • a plurality of battery cells 20 may be provided to convert a plurality of battery cells 20 in parallel and in parallel. Is connected to the device 10.
  • each battery cell 20 may be provided with an electrode lead.
  • the electrode lead provided in the battery cell 20 is exposed to the outside and a conductive material may be used as a kind of terminal connected to an external device.
  • the electrode lead may include a positive electrode lead and a negative electrode lead.
  • the positive electrode lead and the negative electrode lead may be arranged in opposite directions with respect to the longitudinal direction of the battery cell 20, or the positive electrode lead and the negative electrode lead may be in the same direction with respect to the longitudinal direction of the battery cell 20. It may be located.
  • the electrode lead of the battery cell 20 may be connected to the input plate 100 through a wire 50.
  • the battery cell 20 stores a unit cell arranged in the order of a positive plate, a separator, and a negative electrode, or a bi-cell arranged in the order of a positive plate, a separator, a negative plate, a separator, a positive plate, a separator, and a negative plate. It may have a structure in which a plurality of laminated to suit the capacity.
  • the battery management unit 30 is electrically connected to the plurality of battery cells 20 through the serial-to-parallel converter 10 to control the battery cells 20.
  • the battery management unit 30 may include a protection circuit for controlling the operation of the battery cells 20, or may be connected to the battery cells 20 to charge or discharge the battery cells 20. The control may be performed, and the temperature of the battery cell 20 may be sensed.
  • the serial-to-parallel converter 10 to which the battery management unit 30 is connected includes a rotating plate 300, and the rotating plate 300 is rotated by the rotating plate 300, and the other of the positive electrode of the one cell is different from the other.
  • the battery management unit 30 may be connected to this simultaneous connection region 340. That is, the battery management unit 30 may be connected to the simultaneous connection area 340 to sense a temperature of the battery cell 20, to control charging or discharging, or to control a protection circuit protecting the battery cell 20. Can be.
  • the present invention relates to a serial-to-parallel converter and a battery module having the same, in particular, it can be used in industries related to secondary batteries.

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Abstract

직병렬 변환 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치는, 복수의 배터리 셀들의 양극과 음극 각각에 연결되는 입력판; 입력판으로부터 이격되어 배치되며, 외부 단자에 연결되는 출력판; 입력판과 출력판 사이에 회전가능하게 개재되어 입력판과 출력판에 전기적으로 연결될 수 있으며, 회전을 통해 복수의 배터리 셀들의 직렬 연결과 병렬 연결을 변환하는 회전판; 및 입력판과, 출력판과, 회전판이 수용되는 케이스를 포함한다.

Description

직병렬 변환 장치 및 이를 구비한 배터리 모듈
본 출원은 2018년 01월 30일자로 출원된 한국 특허 출원번호 10-2018-0011127호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은, 직병렬 변환 장치 및 이를 구비한 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복수의 배터리 셀들을 다양한 직별렬 형태로 간단하게 변환할 수 있는 직병렬 변환 장치 및 이를 구비한 배터리 모듈에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차 전지 수요가 급격히 증가하고 있으며, 종래 이차 전지로서 니켈카드뮴 전지 또는 수소이온 전지가 사용되었으나, 최근에는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충전 및 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 많이 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
리튬 이차 전지는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질로 이루어지며, 양극 활물질과 음극 활물질을 어떤 것을 사용하느냐에 따라 리튬 이온 전지(Lithium Ion Battery, LIB), 리튬 폴리머 전지(Polymer Lithium Ion Battery, PLIB) 등으로 나누어진다. 통상, 이들 리튬 이차 전지의 전극은 알루미늄 또는 구리 시트(sheet), 메시(mesh), 필름(film), 호일(foil) 등의 집전체에 양극 또는 음극 활물질을 도포한 후 건조시킴으로써 형성된다.
종래 슬라이딩 방식의 직병렬 스위치를 사용하여 복수의 배터리 셀들의 연결 관계를 직렬 또는 병렬로 변환하는 기술이 개시되어 있다. 하지만, 이와 같이 슬라이딩 방식의 직병렬 스위치를 사용하는 경우 배터리 셀들의 연결이 단조로우며, 복잡하게 연결된 배터리 셀들을 스위칭하기 위해서는 스위치의 길이가 길어지거나 개수가 증가해야하므로 부피가 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 복수의 배터리 셀들을 다양한 직별렬 형태로 간단하게 변환할 수 있는 직병렬 변환 장치 및 이를 구비한 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 전체 부피가 증가하는 것을 방지할 수 있는 직병렬 변환 장치 및 이를 구비한 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 입력판 또는 출력판에 연결된 와이어들의 꼬임을 방지할 수 있는 직병렬 변환 장치 및 이를 구비한 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 배터리 셀들의 양극과 음극 각각에 연결되는 입력판; 상기 입력판으로부터 이격되어 배치되며, 외부 단자에 연결되는 출력판; 상기 입력판과 상기 출력판 사이에 회전가능하게 개재되어 상기 입력판과 상기 출력판에 전기적으로 연결될 수 있으며, 회전을 통해 상기 복수의 배터리 셀들의 직렬 연결과 병렬 연결을 변환하는 회전판; 및 상기 입력판과, 상기 출력판과, 상기 회전판이 수용되는 케이스를 포함하는 직병렬 변환 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 회전판에는 상기 입력판에 접촉될 수 있는 제1 돌출부가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 출력판에는 상기 회전판에 접촉될 수 있는 제2 돌출부가 형성될 수 있다.
또한, 상기 입력판과 상기 회전판과 상기 출력판은 서로 적층되며, 상기 입력판은 고정될 수 있다.
그리고, 상기 출력판은 상기 입력판에 가까워지는 방향과 상기 입력판으로부터 멀어지는 방향으로 이동가능하도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 출력판은 상기 회전판에 접촉되어 상기 회전판과 함께 상기 입력판에 가까워지는 방향과 상기 입력판으로부터 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다.
그리고, 상기 출력판과 상기 케이스에는 고정돌기 또는 고정홈이 형성되며, 상기 고정돌기와 상기 고정홈의 결합에 의해 상기 출력판의 회전을 제한하도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 회전판은 회전가능하게 마련된 회전축에 연결되고, 상기 출력판에는 상기 회전축이 삽입되도록 관통공이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 회전축에는, 상기 회전판을 상기 입력판으로부터 멀어지는 방향으로 이동시킬 수 있는 이동수단 및 상기 회전판을 상기 입력판에 가까워지는 방향으로 이동시킬 수 있는 탄성부재가 결합되며, 상기 케이스에는 상기 탄성부재가 안착되는 탄성부재안착부가 형성될 수 있다.
또한, 상기 회전축에는 상기 회전판을 회전시킬 수 있는 회전수단이 마련되며, 상기 회전수단은, 상기 케이스에 마련되고 일측 단부가 경사지도록 제1 경사부가 형성되며, 서로 소정 간격으로 이격된 제1 톱니들; 및 상기 회전축에 결합되고, 상기 제1 톱니의 상기 제1 경사부에 대응되는 제2 경사부가 형성되며, 서로 소정 간격으로 이격된 제2 톱니들을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 회전판의 적어도 일부에는 절연 구역이 형성될 수 있다.
또한, 상기 절연 구역은 상기 회전판의 중심부를 통과하도록 직선형상으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 회전판의 회전에 의해 상기 회전판이 어느 하나의 셀의 양극과, 다른 하나의 셀의 음극에 동시에 연결되는 동시 연결 영역을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 직병렬 변환 장치; 상기 직병렬 변환 장치에 연결되는 복수의 배터리 셀들; 및 상기 직병렬 변환 장치를 통해 상기 복수의 배터리 셀들에 전기적으로 연결되어 상기 배터리 셀들을 제어하는 배터리 관리 유닛(BMU, Battery Management Unit)을 포함하는 직병렬 변환 장치를 구비한 배터리 모듈이 제공될 수 있다.
또한, 상기 회전판의 회전에 의해 상기 회전판이 어느 하나의 셀의 양극과, 다른 하나의 셀의 음극에 동시에 연결되는 동시 연결 영역을 포함하고, 상기 배터리 관리 유닛이 상기 동시 연결 영역에 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 복수의 배터리 셀들을 입력판과, 회전판과, 출력판에 의해 다양한 직별렬 형태로 간단하게 변환할 수 있는 효과가 있다.
또한, 회전판의 전체 면적은 유지한 채 필요시 회전판의 면적 분할 개수만을 증가시키면 더 복잡한 직병렬 연결의 변환이 가능하므로 전체 부피가 증가하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 입력판과 출력판이 회전하지 못하도록 구성되므로, 입력판 또는 출력판에 연결된 와이어들의 꼬임을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치가 구비된 배터리 모듈의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치에서 입력판과, 출력판과, 케이스의 분해 사시도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치에서 회전수단에 의해 회전축이 회전되는 모습의 과정을 도시한 도면이다.
도 8(a) 내지 도 8(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치에서 하나의 실시예에 따른 직병렬 연결을 위해 입력판과, 회전판과, 출력판이 분리되어 개략적으로 도시된 도면이다.
도 9는 도 8에 의해 배터리 셀들이 직병렬 연결되는 모습을 도시한 도면이다.
도 10(a) 내지 도 10(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치에서 다른 실시예에 따른 직병렬 연결을 위해 입력판과, 회전판과, 출력판이 분리되어 개략적으로 도시된 도면이다.
도 11은 도 10에 의해 배터리 셀들이 직병렬 연결되는 모습을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상세히 설명하기로 한다. 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 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
본 명세서에서 사용되는 '결합' 또는 '연결'이라는 용어는, 하나의 부재와 다른 부재가 직접 결합되거나, 직접 연결되는 경우뿐만 아니라 하나의 부재가 이음부재를 통해 다른 부재에 간접적으로 결합되거나, 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치가 구비된 배터리 모듈의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치에서 입력판과, 출력판과, 케이스의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치(10)는, 입력판(100)과, 출력판(200)과, 회전판(300)과, 케이스(400)를 포함한다.
입력판(100)은 복수의 배터리 셀(20)들의 양극과 음극 각각에 연결된다. 예를 들어, 입력판(100)은 8개의 분할 면적을 가질 수 있으며(도 8(a) 및 도 10(a) 참조), 8개의 분할 면적 각각에 4개의 배터리 셀(20a, 20b, 20c, 20d)들의 양극과 음극이 연결된다. 즉, 원형으로 형성된 입력판(100)이 동일한 면적을 가지도록 8등분되며, 8등분된 입력판(100)의 8개의 분할 면적에 4개의 배터리 셀(20a, 20b, 20c, 20d)들의 양극과 음극이 연결된다. 여기서, 배터리 셀(20)이 4개이고 입력판(100)이 8등분되도록 마련되는 것은 하나의 예시일 뿐이며, 배터리 셀(20)의 개수와 입력판(100)의 분할 면적의 개수는 다양할 수 있다. 또한, 필요에 따라 입력판(100)의 분할 면적이 동일하지 않고 서로 다른 면적을 가질 수도 있다. 다만, 설명의 편의를 위해 이하에서는 입력판(100)이 동일 면적의 8등분으로 분할되고 배터리 셀(20)이 4개인 경우에 대해 설명한다.
입력판(100)은 다양한 방식으로 배터리 셀(20)의 음극과 양극에 연결될 수 있으며, 예를 들어 도전체인 와이어(50)를 통해 연결될 수 있다(도 1 참조). 다만, 연결 방식이 와이어(50)에 한정되는 것은 아니다.
입력판(100)은 케이스(400)에 수용되며 다양한 방식으로 케이스(400)에 고정될 수 있다. 예를 들어, 케이스(400)에 고정홈(미도시)이 형성되고 입력판(100)에 고정돌기(미도시)가 형성되며, 케이스(400)의 고정홈(미도시)과 입력판(100)의 고정돌기(미도시)가 결합되어 입력판(100)이 케이스(400)에 고정될 수 있다. 또는, 도 3을 참조하면, 케이스(400)에 고정돌기(410)가 형성되고 입력판(100)에 고정홈(110)이 형성되며, 케이스(400)의 고정돌기(410)와 입력판(100)의 고정홈(110)이 결합되어 입력판(100)이 케이스(400)에 고정될 수 있다. 후술하겠지만, 회전판(300)은 입력판(100)에 가까워지는 방향과 입력판(100)으로부터 멀어지는 방향으로 선형으로 이동할 수 있고 회전할 수도 있다. 그리고, 출력판(200)은 회전을 할 수는 없지만, 회전판(300)에 접촉되어 회전판(300)과 함께 입력판(100)에 가까워지는 방향과 입력판(100)으로부터 멀어지는 방향으로 직선을 따라 이동할 수 있다. 하지만, 입력판(100)은 케이스(400)에 완전히 고정되어 있으므로 직선을 따라 이동할 수도 없고 회전할 수도 없다.
입력판(100)은 회전판(300)과 출력판(200)이 서로 적층되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2을 참조하면, 입력판(100)이 도 2를 기준으로 좌측에 배치되고, 출력판(200)이 도 2를 기준으로 우측에 배치되며, 회전판(300)이 입력판(100)과 출력판(200) 사이에 배치되어 서로 접촉되어 전기적으로 연결되어 있다. 후술하겠지만, 배터리 셀(20)들의 직렬 연결과 병렬 연결을 변환할 때에는 회전판(300)이 입력판(100)으로부터 떨어져 회전하여 다시 입력판(100)에 접촉한다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
출력판(200)은 입력판(100)으로부터 이격되어 배치된다. 여기서, 배터리 셀(20)의 전압이 배터리 셀(20)에 전기적으로 연결된 입력판(100)과, 회전판(300)과, 출력판(200)을 통해 출력되며, 이와 같이 출력된 전압이 각종 전자 기기, 전자 장치 또는 자동차 등의 외부 단자(40)에 연결되어 각종 전자 기기, 전자 장치 또는 자동차로 공급될 수 있다.
출력판(200)은 다양한 방식으로 외부 단자(40)에 연결될 수 있으며, 예를 들어 도전체인 와이어(60)를 통해 연결될 수 있다(도 1 참조). 다만, 연결 방식이 와이어(60)에 한정되는 것은 아니다.
출력판(200)은 케이스(400)에 수용되며 다양한 방식으로 케이스(400)에 고정될 수 있다. 예를 들어, 케이스(400)에 고정홈(미도시)이 형성되고 출력판(200)에 고정돌기(미도시)가 형성되며, 케이스(400)의 고정홈(미도시)과 출력판(200)의 고정돌기(미도시)가 결합되어 출력판(200)이 케이스(400)에 고정될 수 있다. 또는, 도 3을 참조하면, 케이스(400)에 고정돌기(420)가 형성되고 출력판(200)에 고정홈(220)이 형성되며, 케이스(400)의 고정돌기(420)와 출력판(200)의 고정홈(220)이 결합되어 출력판(200)이 케이스(400)에 고정될 수 있다. 이와 같이 출력판(200)은 케이스(400)에 고정되어 회전판(300)의 회전 방향으로 회전하는 것이 제한된다. 다만, 출력판(200)은 고정홈(220)이 고정돌기(420)를 따라 직선으로 이동할 수는 있다. 즉, 출력판(200)은 도 2를 참조하면, 도 2를 기준으로 좌우 방향, 즉 화살표 N 방향 또는 F 방향으로 선형으로 이동할 수는 있지만 회전할 수는 없다. 이와 같이 입력판(100)과 출력판(200)이 모두 회전하지 못하도록 케이스(400)에 고정되므로, 입력판(100)과 배터리 셀(20)을 연결하는 와이어(50)와, 출력판(200)과 외부 단자(40)를 연결하는 와이어(60)가 서로 꼬이지 않으며, 이에 의해 입력판(100)과 배터리 셀(20)의 전기적 연결과, 출력판(200)과 외부 단자(40)의 전기적 연결이 안정되는 효과가 있다. 즉, 예를 들어, 만약, 입력판(100)이 회전하도록 마련되면 입력판(100)과 배터리 셀(20)을 연결하는 복수의 와이어(50)들이 서로 꼬이게 되어 전기적 연결이 불안정해지고, 또한 입력판(100)의 회전수가 증가하면 서로 꼬여 있는 와이어(50)들의 장력에 의해 더이상 회전하지 못하는 문제도 발생된다. 그리고, 이러한 문제는 출력판(200)이 회전하도록 마련되는 경우에도 동일하게 발생된다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치(10)는 입력판(100)과 출력판(200)이 회전하지 못하도록 구성되고, 입력판(100)과 출력판(200) 사이에서 회전판(300)만 회전하므로 전술한 바와 같은 문제, 즉, 입력판(100) 또는 출력판(200)에 연결된 와이어(50, 60)들의 꼬임에 의한 각종 문제들이 발생되지 않는 효과가 있다.
출력판(200)에는 회전판(300)에 접촉될 수 있는 제2 돌출부(210)가 형성될 수 있다. 즉, 제2 돌출부(210)를 통해 출력판(200)과 회전판(300)이 전기적으로 연결되므로 제2 돌출부(210)는 접점의 기능을 가진다. 제2 돌출부(210)는 다양한 개수와 다양한 형상을 가질 수 있으며, 출력판(200)과 일체로 제작될 수도 있고, 용접 등에 의해 출력판(200)에 결합될 수도 있다.
출력판(200)은 입력판(100)에 가까워지는 방향, 즉, 도 2의 N 방향과, 입력판(100)으로부터 멀어지는 방향, 즉, 도 2의 F 방향으로 이동하도록 마련될 수 있으며, 이때 출력판(200)의 제2 돌출부(210)가 회전판(300)에 접촉되어 회전판(300)과 함께 입력판(100)에 가까워지는 방향과 입력판(100)으로부터 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 회전판(300)이 입력판(100)으로부터 멀어지는 방향으로 이동하면 회전판(300)에 접촉된 제2 돌출부(210)와 출력판(200)도 회전판(300)과 함께 입력판(100)으로부터 멀어진다. 그리고, 탄성부재(600)의 탄성회복력이 작용하면 출력판(200)과 회전판(300)이 입력판(100)에 가까워지는 방향으로 이동할 수 있는데, 이때, 회전판(300)은 회전수단(700)에 의해 회전할 수 있고 전술한 바와 같이 출력판(200)은 회전하지 못하므로 회전판(300)은 제2 돌출부(210)에 접촉된 채로 회전한다. 여기서, 회전판(300)과 제2 돌출부(210)의 접촉 마찰력을 감소시킬 수 있도록 회전판(300)에 접촉되는 제2 돌출부(210)의 단부에는 라운드 형상의 곡면이 형성될 수 있다.
회전판(300)은 도 2에 도시된 바와 같이 입력판(100)과 출력판(200) 사이에 회전가능하게 개재되어 입력판(100)과 출력판(200)에 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 회전판(300)은 회전을 통해 복수의 배터리 셀(20)들의 직렬 연결과 병렬 연결을 변환시킬 수 있다. 여기서, 회전판(300)에는 입력판(100)에 접촉될 수 있는 제1 돌출부(310)가 형성될 수 있다. 즉, 제1 돌출부(310)를 통해 회전판(300)과 입력판(100)이 전기적으로 연결되므로 제1 돌출부(310)는 접점의 기능을 가진다. 제1 돌출부(310)는 다양한 개수와 다양한 형상을 가질 수 있으며, 회전판(300)과 일체로 제작될 수도 있고, 용접 등에 의해 회전판(300)에 결합될 수도 있다.
회전판(300)은 입력판(100)에 가까워지는 방향, 즉, 도 2의 N 방향과, 입력판(100)으로부터 멀어지는 방향, 즉, 도 2의 F 방향으로 이동하도록 마련될 수 있다. 예를 들어 도 2를 참조하면, 회전판(300)은 회전가능하게 마련된 회전축(320)에 연결될 수 있으며, 회전축(320)의 회전에 의해 회전판(300) 역시 회전하게 된다. 이때, 출력판(200)에는 회전축(320)이 삽입되도록 관통공(230, 도 3 참조)이 형성될 수 있다. 회전축(320)은 다양한 방식으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 회전축(320)에 모터 등의 동력원이 결합되어 회전축(320)을 회전시킬 수 있다. 또는, 회전축(320)에 회전판(300)을 회전시킬 수 있는 회전수단(700)이 마련될 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치에서 회전수단에 의해 회전축이 회전되는 모습의 과정을 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 회전수단(700)은 제1 톱니(710)들과, 제2 톱니(720)들을 포함할 수 있다. 제1 톱니(710)들은 케이스(400)에 마련되고 일측 단부가 경사지도록 제1 경사부(711)가 형성될 수 있다. 여기서, 제1 톱니(710)들은 서로 소정 간격으로 이격된다. 제1 톱니(710)들의 소정 간격은 동일한 간격인 경우가 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 톱니(720)들은 회전축(320)에 결합되고, 제1 톱니(710)의 제1 경사부(711)에 대응되는 제2 경사부(721)가 형성될 수 있다. 제2 톱니(720)들은 서로 소정 간격으로 이격된다. 제2 톱니(720)들의 소정 간격은 제1 톱니(710)들의 소정 간격과 마찬가지로 동일한 간격인 경우가 바람직하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 회전수단(700)인 제1 톱니(710)들과 제2 톱니(720)들에 의해 회전축(320)이 회전하는 과정에 대해 설명한다. 도 4를 참조하면, A 표시가 된 어느 하나의 제1 톱니(710)에 대해 도 4를 기준으로 우측에 B 표시가 된 어느 하나의 제2 톱니(720)가 위치한다. 그리고, 도 4에서 회전축(320)이 예를 들어 솔레노이드에 의해 입력판(100)으로부터 멀어지는 방향, 즉, 도 4의 X 방향으로 이동하면 A 표시가 된 제1 톱니(710)와 B 표시가 된 제2 톱니(720)는 도 5에서와 같이 위치한다. 다만, 회전축(320)을 이동시키는 수단이 반드시 솔레노이드에 한정되는 것은 아니며 스텝 모터 등의 각종 동력원에 의해 회전축(320)이 입력판(100)으로부터 멀어지는 방향으로 이동하도록 마련될 수 있다. 그리고, A 표시가 된 제1 톱니(710)와 B 표시가 된 제2 톱니(720)가 도 5에서와 같이 위치하면 솔레노이드의 작동이 중지하며 회전축(320)이 예를 들어 탄성부재(600)의 탄성회복력에 의해 입력판(100)에 가까워지는 방향, 즉, 도 6의 Y 방향으로 이동한다. 이때, B 표시가 된 제2 톱니(720)의 제2 경사부(721)가 A 표시가 된 제1 톱니(710)의 제1 경사부(711)를 따라 Y 방향으로 이동하면서 회전축(320)이 도 6의 화살표 K 방향으로 회전하며, 이에 의해 도 7에서와 같이 B 표시가 된 제2 톱니(720)는 A 표시가 된 제1 톱니(710)에 대해 도 7을 기준으로 좌측에 위치한다. 이러한 방식으로 소정 각도만큼 회전축(320)이 회전할 수 있으며, 회전축(320)에 결합된 회전판(300)도 회전할 수 있다. 즉, 회전판(300)은 입력판(100)으로부터 멀어지는 방향으로 이동하여 제1 돌출부(310)가 입력판(100)으로부터 떨어진 상태, 즉 회전판(300)과 입력판(100)이 서로 접촉되지 않은 상태에서 회전한다. 회전판(300)의 회전 방식은 모터 등에 의해 회전할 수도 있고, 또는 전술한 회전수단(700)에 의해 회전할 수도 있다. 회전판(300)이 모터 등에 의해 회전하도록 구성된다면, 회전판(300)이 입력판(100)으로부터 떨어진 상태에서 회전하며, 회전이 완료되면 입력판(100)측으로 이동하여 입력판(100)에 접촉되도록 마련될 수 있다. 그리고, 회전판(300)이 회전수단(700), 즉, 제1 톱니(710)들과, 제2 톱니(720)들에 의해 회전하도록 구성된다면, 회전판(300)이 입력판(100)으로부터 떨어진 후 입력판(100)측으로 이동하면서 회전도 함께 하도록 마련될 수 있다.
회전판(300)은 입력판(100)으로부터 멀어지는 방향, 예를 들어 도 2의 F 방향과, 입력판(100)에 가까워지는 방향, 예를 들어 도 2의 N 방향으로 이동할 수 있다. 회전판(300)의 이동을 위해 회전판(300)에 결합된 회전축(320)을 이동하는 이동수단(500)과 탄성부재(600)가 구비될 수 있다. 이동수단(500)은 회전축(320)에 결합되어 회전판(300)을 입력판(100)으로부터 멀어지는 방향으로 이동시킨다. 이동수단(500)은 예를 들어 솔레노이드를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않고 모터 등의 각종 동력원을 포함할 수 있다. 탄성부재(600)는 회전축(320)에 결합되어 회전판(300)을 입력판(100)에 가까워지는 방향으로 이동시킨다. 이를 위해, 케이스(400)에는 탄성부재(600)가 안착되는 탄성부재안착부(430)가 형성될 수 있다. 도 2를 참조하면, 이동수단(500)에 의해 회전축(320)이 F 방향으로 이동하면 회전축(320)에 결합된 회전판(300) 뿐만 아니라 회전판(300)에 접촉된 출력판(200)도 F 방향으로 함께 이동한다. 여기서, 탄성부재(600)는 출력판(200)에 의해 수축된다. 그리고, 이동수단(500)의 작동이 정지하면 탄성부재(600)의 탄성회복력에 의해 출력판(200)이 N 방향으로 이동하며 출력판(200)에 접촉된 회전판(300)도 N 방향으로 이동한다. 그리고, 전술한 바와 같이, 회전판(300)이 N 방향으로 이동하면서 회전수단(700)에 의해 소정 각도만큼 회전한다. 여기서, 탄성부재(600)는 탄성을 가지는 다양한 재질을 포함하며, 예를 들어 코일 스프링으로 마련될 수 있다.
회전판(300)의 적어도 일부에는 절연 구역(330)이 형성될 수 있다(도 8(b) 및 도 10(b) 참조). 여기서, 절연 구역(330)은 회전판(300)의 중심부를 통과하도록 직선형상으로 형성될 수 있다. 이와 같은 절연 구역(330)에 의해 회전판(300)이 출력판(200)에 접촉된 채 회전하여 입력판(100)에 접촉하더라도 쇼트(short)를 방지할 수 있다. 다만, 절연 구역(330)의 형상과 위치는 필요에 따라 다양할 수 있다.
회전판(300)에는 회전판(300)의 회전에 의해 어느 하나의 셀의 양극과 다른 하나의 셀의 음극에 동시에 연결되는 동시 연결 영역(340)을 포함할 수 있다(도 10(b) 참조). 예를 들어, 도 10(b)에 어느 하나의 동시 연결 영역(340)인 I' 영역은 제1 배터리 셀(20a)의 양극과 제2 배터리 셀(20b)의 음극에 연결되고, 다른 하나의 동시 연결 영역(340)인 III' 영역은 제3 배터리 셀(20c)의 음극과 제4 배터리 셀(20d)의 양극에 연결된다. 이러한 동시 연결 영역(340)에는 배터리 관리 유닛(30, Battery Management Unit : BMU)이 연결될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
케이스(400)는 입력판(100)과, 출력판(200)과, 회전판(300)이 수용된다. 케이스(400)에는 입력판(100)이 고정될 수 있도록 고정홈(미도시) 또는 고정돌기(410)가 형성될 수 있고, 출력판(200)이 고정될 수 있도록 고정홈(미도시) 또는 고정돌기(420)가 형성될 수 있다. 그리고, 케이스(400)에는 회전판(300)이 회전과 이동이 가능하도록 구동홈(440, 도 2 참조)이 형성될 수 있다. 즉, 회전판(300)은 케이스(400)에 형성된 구동홈(440) 내에서 회전하고 또한 도 2의 N 방향 및 F 방향으로 이동할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치(10)의 작용 및 효과에 대해 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 케이스(400) 내부에 입력판(100)과, 회전판(300)과, 출력판(200)이 순차적으로 적층될 수 있다. 여기서, 입력판(100)과, 출력판(200)과, 회전판(300)은 원형으로 형성될 수 있다. 입력판(100)은 케이스(400)에 고정된다. 그리고, 회전판(300)은 입력판(100)으로부터 떨어지거나 입력판(100)으로 접촉하도록 이동할 수 있을 뿐만 아니라, 입력판(100)으로부터 떨어진 상태에서 회전도 할 수 있다. 그리고, 출력판(200)은 케이스(400)에 결합되어 회전은 제한되지만 회전판(300)에 접촉되어 회전판(300)과 함께 입력판(100)으로부터 멀어지거나 입력판(100)에 가까워지는 방향으로 이동할 수 있다. 이와 같이, 회전판(300)이 입력판(100)으로부터 떨어져 회전 후 입력판(100)에 접촉되면, 복수의 배터리 셀(20)들의 전기적 연결 상태가 변환된다. 이와 같은 복수의 배터리 셀(20)들의 전기적 연결 상태의 변환에 대해 도면을 참조하여 이하 설명한다.
도 8(a) 내지 도 8(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치에서 하나의 실시예에 따른 직병렬 연결을 위해 입력판과, 회전판과, 출력판이 분리되어 개략적으로 도시된 도면이고, 도 9는 도 8에 의해 배터리 셀들이 직병렬 연결되는 모습을 도시한 도면이며, 도 10(a) 내지 도 10(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치에서 다른 실시예에 따른 직병렬 연결을 위해 입력판과, 회전판과, 출력판이 분리되어 개략적으로 도시된 도면이고, 도 11은 도 10에 의해 배터리 셀들이 직병렬 연결되는 모습을 도시한 도면이다.
도 8(a) 내지 도 8(c)에서는 입력판(100)과, 회전판(300)과, 출력판(200)이 하나의 평면에 도시되어 있다.
도 8(a) 내지 도 8(c)를 참조하면, 입력판(100)은 8개의 분할 면적을 가질 수 있으며, 8개의 분할 면적 각각에 4개의 배터리 셀(20a, 20b, 20c, 20d)들의 양극과 음극이 연결된다. 그리고, 회전판(300)은 I 영역에서 제1 배터리 셀(20a)의 음극과 제2 배터리 셀(20b)의 음극에 연결되며, 이는 도 9의 I 영역에 대응된다. 그리고, 회전판(300)은 II 영역에서 제3 배터리 셀(20c)의 음극과 제4 배터리 셀(20d)의 음극에 연결되며, 이는 도 9의 II 영역에 대응된다. 그리고, 회전판(300)은 III 영역에서 제1 배터리 셀(20a)의 양극과 제2 배터리 셀(20b)의 양극에 연결되며, 이는 도 9의 III 영역에 대응된다. 그리고, 회전판(300)은 IV 영역에서 제3 배터리 셀(20c)의 양극과 제4 배터리 셀(20d)의 양극에 연결되며, 이는 도 9의 IV 영역에 대응된다. 한편, 출력판(200)은 회전하지 못하며 다만 회전판(300)의 회전에 의해 출력의 연결 상태가 변환된다. 즉, 출력판(200)의 X 영역에는 외부 단자(40)의 음극이 연결되고, 출력판(200)의 Y 영역에는 외부 단자(40)의 양극이 연결된다. 이는 도 9의 X 및 Y에 대응된다. 회전판(300)이 회전하여 도 8(b)에서와 같은 위치에 있는 경우, 4개의 배터리 셀(20a, 20b, 20c, 20d)은 도 9에서와 같이 병렬로 연결된다.
그리고, 회전판(300)이 회전하여 도 10(b)에서와 같은 위치에 있는 경우에 대해 설명한다. 도 10(a) 내지 도 10(c) 역시 도 8(a) 내지 도 8(c)와 마찬가지로 입력판(100)과, 회전판(300)과, 출력판(200)이 하나의 평면에 도시되어 있다.
도 10(a) 내지 도 10(c)를 참조하면, 입력판(100)은 도 8(a)에서와 동일하므로 8개의 분할 면적을 가질 수 있으며, 8개의 분할 면적 각각에 4개의 배터리 셀(20a, 20b, 20c, 20d)들의 양극과 음극이 연결된다. 그리고, 회전판(300)은 I' 영역에서 제1 배터리 셀(20a)의 양극과 제2 배터리 셀(20b)의 음극에 연결되며, 이는 도 11의 I' 영역에 대응된다. 도 10(b)에서 회전판(300)의 I' 영역은 출력판(200)의 VM에 연결되는 영역으로 동시 연결 영역(340)에 해당되며, 출력판(200)을 통해 배터리 관리 유닛(30)이 연결된다. 그리고, 회전판(300)은 II' 영역에서 제1 배터리 셀(20a)의 음극과 제4 배터리 셀(20d)의 음극에 연결되며, 이는 도 11의 II' 영역에 대응된다. 그리고, 회전판(300)은 III' 영역에서 제3 배터리 셀(20c)의 음극과 제4 배터리 셀(20d)의 양극에 연결되며, 이는 도 11의 III' 영역에 대응된다. 도 10(b)에서 회전판(300)의 III' 영역은 출력판(200)의 VM에 연결되는 영역으로 동시 연결 영역(340)에 해당되며, 출력판(200)을 통해 배터리 관리 유닛(30)이 연결된다. 그리고, 회전판(300)은 IV' 영역에서 제2 배터리 셀(20b)의 양극과 제3 배터리 셀(20c)의 양극에 연결되며, 이는 도 11의 IV' 영역에 대응된다. 한편, 출력판(200)은 회전하지 못하며 다만 회전판(300)의 회전에 의해 출력의 연결 상태가 변환된다. 도 10(c) 및 도 11의 연결에서는 회전판(300)의 극성과 출력판(200)의 극성이 동일하다. 회전판(300)이 회전하여 도 10(b)에서와 같은 위치에 있는 경우 도 11에서와 같이 제1 배터리 셀(20a)과 제2 배터리 셀(20b)은 직렬로 연결되고, 제3 배터리 셀(20c)과 제4 배터리 셀(20d) 역시 직렬로 연결되며, 각각 직렬로 연결된 제1 배터리 셀(20a) 및 제2 배터리 셀(20b)과, 제3 배터리 셀(20c) 및 제4 배터리 셀(20d)은 병렬로 연결된다. 이와 같이, 회전판(300)의 회전에 의해 배터리 셀(20)의 직병렬 연결이 다양하게 변환될 수 있다. 여기서, 입력판(100)은 8개의 분할 면적을 가지고 4개의 배터리 셀(20a, 20b, 20c, 20d)에 연결되어 있지만 입력판(100)의 분할 면적과 배터리 셀(20)의 개수를 변화시키면 보다 다양한 직병렬 연결의 변환이 가능하다. 한편, 입력판(100)과 출력판(200)은 모두 회전하지 못하므로 입력판(100)과 배터리 셀(20)을 연결하는 와이어(50)와, 출력판(200)과 외부 단자(40)를 연결하는 와이어(60)가 최초 위치를 계속 유지하므로 와이어(50, 60)의 꼬임이 방지되는 효과가 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치를 구비한 배터리 모듈(1)에 대해 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직병렬 변환 장치를 구비한 배터리 모듈(1)은, 직병렬 변환 장치(10)와, 복수의 배터리 셀(20)들과, 배터리 관리 유닛(30)을 포함한다.
직병렬 변환 장치(10)는 전술한 설명으로 대체한다.
배터리 셀(20)은 예를 들어 원통형, 각형 또는 파우치형 등의 다양한 종류를 포함할 수 있으며, 본 실시예에서는 복수의 배터리 셀(20)이 구비되어 복수의 배터리 셀(20)들이 직병렬 변환 장치(10)에 연결된다. 그리고, 각각의 배터리 셀(20)에는 전극 리드가 구비될 수 있다. 배터리 셀(20)에 구비되는 전극 리드는 외부로 노출되어 외부 기기에 연결되는 일종의 단자로서 전도성 재질이 사용될 수 있다. 전극 리드는 양극 전극 리드와 음극 전극 리드를 포함할 수 있다. 양극 전극 리드와 음극 전극 리드는 배터리 셀(20)의 길이 방향에 대해 서로 반대 방향에 배치될 수도 있고, 또는 양극 전극 리드와 음극 전극 리드가 배터리 셀(20)의 길이 방향에 대해 서로 동일한 방향에 위치될 수도 있다. 배터리 셀(20)의 전극 리드는 와이어(50)를 통해 입력판(100)에 연결될 수 있다. 배터리 셀(20)은 양극판-세퍼레이터-음극판의 순서로 배열되는 단위 셀(Unit Cell) 또는 양극판-세퍼레이터-음극판-세퍼레이터-양극판-세퍼레이터-음극판의 순서로 배열된 바이 셀(Bi-Cell)을 전지 용량에 맞게 복수개 적층시킨 구조를 가질 수 있다.
배터리 관리 유닛(30)은 직병렬 변환 장치(10)를 통해 복수의 배터리 셀(20)들에 전기적으로 연결되어 배터리 셀(20)들을 제어한다. 예를 들어, 배터리 관리 유닛(30)은 배터리 셀(20)들의 작동을 제어하는 보호회로를 포함할 수 있고, 또는, 배터리 셀(20)들에 연결되어 배터리 셀(20)들의 충전 또는 방전을 제어할 수 있으며, 배터리 셀(20)의 온도 등을 센싱할 수도 있다. 여기서, 배터리 관리 유닛(30)이 연결되는 직병렬 변환 장치(10)는 회전판(300)을 포함하며, 회전판(300)은 회전판(300)의 회전에 의해 어느 하나의 셀의 양극과 다른 하나의 셀의 음극에 동시에 연결되는 동시 연결 영역(340)을 포함할 수 있고, 이러한 동시 연결 영역(340)에 배터리 관리 유닛(30)이 연결될 수 있다. 즉, 배터리 관리 유닛(30)은 동시 연결 영역(340)에 연결되어 배터리 셀(20)의 온도 등을 센싱하거나, 충전 또는 방전을 제어하거나, 배터리 셀(20)을 보호하는 보호회로를 제어할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명은 직병렬 변환 장치 및 이를 구비한 배터리 모듈에 관한 것으로서, 특히, 이차전지와 관련된 산업에 이용 가능하다.

Claims (15)

  1. 복수의 배터리 셀들의 양극과 음극 각각에 연결되는 입력판;
    상기 입력판으로부터 이격되어 배치되며, 외부 단자에 연결되는 출력판;
    상기 입력판과 상기 출력판 사이에 회전가능하게 개재되어 상기 입력판과 상기 출력판에 전기적으로 연결될 수 있으며, 회전을 통해 상기 복수의 배터리 셀들의 직렬 연결과 병렬 연결을 변환하는 회전판; 및
    상기 입력판과, 상기 출력판과, 상기 회전판이 수용되는 케이스를 포함하는 직병렬 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전판에는 상기 입력판에 접촉될 수 있는 제1 돌출부가 형성된 것을 특징으로 하는 직병렬 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 출력판에는 상기 회전판에 접촉될 수 있는 제2 돌출부가 형성된 것을 특징으로 하는 직병렬 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 입력판과 상기 회전판과 상기 출력판은 서로 적층되며, 상기 입력판은 고정된 것을 특징으로 하는 직병렬 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 출력판은 상기 입력판에 가까워지는 방향과 상기 입력판으로부터 멀어지는 방향으로 이동가능하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 직병렬 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 출력판은 상기 회전판에 접촉되어 상기 회전판과 함께 상기 입력판에 가까워지는 방향과 상기 입력판으로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 직병렬 변환 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 출력판과 상기 케이스에는 고정돌기 또는 고정홈이 형성되며, 상기 고정돌기와 상기 고정홈의 결합에 의해 상기 출력판의 회전을 제한하는 것을 특징으로 하는 직병렬 변환 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회전판은 회전가능하게 마련된 회전축에 연결되고, 상기 출력판에는 상기 회전축이 삽입되도록 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 직병렬 변환 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 회전축에는, 상기 회전판을 상기 입력판으로부터 멀어지는 방향으로 이동시킬 수 있는 이동수단 및 상기 회전판을 상기 입력판에 가까워지는 방향으로 이동시킬 수 있는 탄성부재가 결합되며,
    상기 케이스에는 상기 탄성부재가 안착되는 탄성부재안착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 직병렬 변환 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 회전축에는 상기 회전판을 회전시킬 수 있는 회전수단이 마련되며,
    상기 회전수단은,
    상기 케이스에 마련되고 일측 단부가 경사지도록 제1 경사부가 형성되며, 서로 소정 간격으로 이격된 제1 톱니들; 및
    상기 회전축에 결합되고, 상기 제1 톱니의 상기 제1 경사부에 대응되는 제2 경사부가 형성되며, 서로 소정 간격으로 이격된 제2 톱니들을 포함하는 것을 특징으로 하는 직병렬 변환 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 회전판의 적어도 일부에는 절연 구역이 형성된 것을 특징으로 하는 직병렬 변환 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 절연 구역은 상기 회전판의 중심부를 통과하도록 직선형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 직병렬 변환 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 회전판의 회전에 의해 상기 회전판이 어느 하나의 셀의 양극과, 다른 하나의 셀의 음극에 동시에 연결되는 동시 연결 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 직병렬 변환 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 직병렬 변환 장치;
    상기 직병렬 변환 장치에 연결되는 복수의 배터리 셀들; 및
    상기 직병렬 변환 장치를 통해 상기 복수의 배터리 셀들에 전기적으로 연결되어 상기 배터리 셀들을 제어하는 배터리 관리 유닛(BMU, Battery Management Unit)을 포함하는 직병렬 변환 장치를 구비한 배터리 모듈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 회전판의 회전에 의해 상기 회전판이 어느 하나의 셀의 양극과, 다른 하나의 셀의 음극에 동시에 연결되는 동시 연결 영역을 포함하고,
    상기 배터리 관리 유닛이 상기 동시 연결 영역에 연결되는 것을 특징으로 하는 직병렬 변환 장치를 구비한 배터리 모듈.
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