WO2022270950A1 - 셀 모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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WO2022270950A1
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cell
battery
module assembly
cell frame
cell module
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이범직
손영수
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery pack, and more particularly, in terms of cost and process simplification, a cell module assembly that minimizes the possibility of short circuit occurrence and improves durability by reducing the number of cell frames and preventing the movement of battery cells, and including the same It is about a battery pack that does.
  • Secondary batteries which are highly applicable to each product group and have electrical characteristics such as high energy density, are used not only for portable devices but also for electric vehicles (EVs) or hybrid electric vehicles (HEVs) driven by an electrical driving source. It is universally applied to scooters (Electric Scooter) and the like. These secondary batteries have not only the primary advantage of significantly reducing the use of fossil fuels, but also the advantage of not generating any by-products due to the use of energy, so they are attracting attention as a new energy source for improving eco-friendliness and energy efficiency.
  • the unit secondary battery cell that is, the operating voltage of the unit battery cell is about 2.5V to 4.5V. Therefore, at present, it is not possible to obtain sufficient output to drive an electric scooter, for example, with one secondary battery cell.
  • a battery module in which a plurality of lithium ion battery cells are connected in series and/or parallel must be configured. (Battery Management System), BDU (Battery Disconnection Unit), and electrical connection parts.
  • FIG. 1 is a view showing two cell module assemblies (CMA A, CMA B) included in a battery pack of the prior art.
  • CMA A conventional cell module assembly
  • two cell frames a1 and a2 are included to accommodate and fix the cylindrical battery cells. That is, in the conventional cell module assembly (CMA A), battery cells are accommodated and fixed as shown in FIG. 2 by assembling two cell frames a1 and a2. Accordingly, in order to configure the battery pack to include the two cell module assemblies CMA A and CMA B, the four cell frames a1 , a2 , b1 , and b2 are required.
  • the battery pack according to the prior art has a disadvantage in that the production cost increases as the number of parts increases due to the number of assembling processes.
  • the present invention was devised to solve the above problems, and in terms of cost and process simplification, the conventional two cell frames are made into one cell frame, and the battery cells flow in this one cell frame.
  • An object of the present invention is to provide a cell module assembly configured to be accommodated without a battery pack and a battery pack including the same.
  • an object of the present invention is to provide a cell module assembly having excellent electrical safety and heat dissipation and a battery pack including the same.
  • a cell module assembly includes a plurality of cylindrical battery cells having a battery can and a top cap coupled to an upper end of the battery can; a cell frame having an opening on one surface and an accommodating portion capable of standing and accommodating the plurality of cylindrical battery cells therein; and a cell spacer that surrounds all or part of the circumference of the lower end of the battery can and is coupled to the open portion of the cell frame.
  • the lower end of the battery can faces the opening of the cell frame
  • the upper end of the battery is the upper plate portion of the cell frame where the upper end of the battery can is located in the opposite direction to the opening of the cell frame.
  • the cell spacer may be made of an insulating material, and may have a spacer hole surrounding a lower end of the battery can.
  • the spacer hole may be provided to have a diameter corresponding to the diameter of the battery can.
  • the plurality of cylindrical battery cells may be placed upright while being supported by a cell holder provided inside the cell frame and surrounding at least a portion of a circumference of an upper end of the battery can.
  • the cell frame may be configured such that a distance between an open portion of the cell frame and an upper plate portion of the cell frame corresponds to a length of the cylindrical battery cells.
  • the open portion of the cell frame includes an outer rim portion forming a circumference, and the outer rim portion includes a first outer rim portion forming a horizontal surface with the bottom surface of the battery can, and a thickness of the cell spacer to the first outer rim portion.
  • the cell spacer may include a second outer rim portion forming a step lower than the rim portion, and at least a portion of the rim of the cell spacer may be provided to be seated on the second outer rim portion.
  • a screen plate covering the cell spacer and the bottom surface of the battery can and coupled to the cell frame may be further included.
  • the bottom surface of the battery can and the screen plate may be adhesively fixed to each other.
  • the upper plate of the cell frame has terminal connection holes partially exposing the upper end of the battery can, and in the cylindrical battery cells, the top cap or the upper edge of the battery can is exposed through the terminal connection holes, and the cell frame It can be bonded with a plurality of bus bar plates provided on the outer surface of the upper plate of the.
  • a sensing unit is provided on a side surface of the cell frame crossing the outer surface of the upper plate of the cell frame, and the sensing unit includes: a printed circuit board detachably coupled to the cell frame; a plurality of sensing plates coupled to the printed circuit board and wire-bonded to the bus bar plates; and a temperature sensing member coupled to the printed circuit board and measuring the temperature of one or more of the battery cells spaced apart from each other by a predetermined distance.
  • the plurality of sensing plates may be provided in a number corresponding to the bus bar plates one-to-one and may be connected to the corresponding bus bar plates through wire bonding.
  • Each of the plurality of sensing plates is provided in a structure bent at least once, one side of which is fixedly coupled to the printed circuit board, and the other side of the plurality of sensing plates may be arranged side by side on one outer surface of the cell frame on which the bus bar plates are disposed.
  • Each of the plurality of sensing plates may include a board connection part attached to the printed circuit board, and a frame mounting part extending from the board connection part and disposed at an edge of one outer surface of the cell frame.
  • One end portions of the bus bar plates and frame seating portions of the sensing plates may be alternately disposed adjacent to each other.
  • the temperature sensing member includes a first temperature sensing member having one end inserted into the cell frame, and the first temperature sensing member includes a first cable extending from the printed circuit board by a predetermined length; and A first thermistor coupled to an end of one cable may be provided, and the first thermistor may be inserted into the receiving part through a temperature sensing hole formed through an upper plate of the cell frame and come into contact with the battery cell.
  • the battery cell contacted by the first thermistor may be one of battery cells located in a central region of the cell frame.
  • the upper plate of the cell frame may include a plurality of cable guide ribs protruding from a straight wiring path of the first cable so as to be wired in a straight line from the printed circuit board to the temperature sensing hole.
  • the plurality of cable guide ribs may include an inlet support rib for supporting a portion of the cable immediately before being introduced into the temperature sensing hole at a predetermined height from the surface of the upper plate of the cell frame.
  • the temperature sensing member includes a second temperature sensing member having one end extending to a side cutout formed through the other outer surface of the cell frame intersecting the upper plate portion of the cell frame, the second temperature sensing member comprising the printed circuit board.
  • a second cable extending from the board by a predetermined length; and a second thermistor coupled to an end of the second cable, wherein the second thermistor extends through the side cutout to the battery cell located at the outermost part of the accommodating part. It can be placed in contact with the side.
  • a battery pack including the above-described cell module assembly, wherein the battery cells are accommodated in the cell frame so that the upper ends of the battery can face the same direction, and the top caps of the battery cells mutually two cell module assemblies in which the cell frames are coupled to each other so that they face each other; a BMS assembly coupled to one side of the two cell module assemblies; and a pack case integrally accommodating the two cell module assemblies and the BMS assembly.
  • Each of the cell frames includes an upper plate portion of the cell frame, which is a surface facing the top caps of the battery cells, and the upper plate portion of any one of the cell frames has one or more protrusions protruding in a coupling direction,
  • the upper plate of the other cell frame may protrude in a coupling direction and may include one or more space keeping columns provided so that the protrusion can be inserted inside.
  • an electric scooter including the battery pack described above may be provided.
  • an electric vehicle including the battery pack described above may be provided.
  • a cell module assembly capable of accommodating cylindrical battery cells in one cell frame, and housing and fixing the cylindrical battery cells without movement without contacting each other within the one cell frame, and the same A battery pack may be provided.
  • a cell module assembly having excellent electrical safety and heat dissipation and a battery pack including the same may be provided.
  • FIG. 1 is a diagram showing a two cell module assembly (CMA) included in a prior art battery pack.
  • CMA two cell module assembly
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a cell frame included in a cell module assembly according to the prior art.
  • FIG 3 is a perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a partially exploded perspective view of the battery pack of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating two cell module assemblies and a BMS assembly in FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view of the first cell module assembly of FIG. 5 .
  • FIG. 8 is a view showing a cell frame of the first cell module assembly of FIG. 7 .
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an exemplary configuration in which battery cells are accommodated in the cell frame of FIG. 8 .
  • FIG. 10 is a partially enlarged view of FIG. 9 .
  • FIG. 11 are photographs showing differences in gaps between battery cells caused by dimensional tolerances of cell holders of a cell frame according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view of a cell spacer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram in which the cell spacer of FIG. 12 is applied to the configuration of FIG. 9 .
  • FIG. 14 is a partially cut-away perspective view taken along A-A' of FIG. 13;
  • FIG. 15 is a view showing the heat transfer member disposed on the bottom surface of the battery can in FIG. 14 .
  • 16 is a view looking at an upper plate of a cell frame according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a view showing portions of the top plate and side surfaces of the cell frame of FIG. 16;
  • FIG. 18 is a view of the top plate and the side surface of the cell frame of FIG. 17 viewed from different angles.
  • FIG. 19 is a perspective view of the sensing unit of FIG. 18 .
  • FIG. 20 is a side view of the sensing unit of FIG. 19 .
  • 21 and 22 are views showing before and after assembling a two-cell module assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a view showing that a BMS assembly is assembled to the two cell module assembly of FIG. 22 .
  • FIG. 3 is a perspective view of a battery pack according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a partially exploded perspective view of the battery pack of FIG. 3
  • FIG. 5 is a perspective view showing two cell module assemblies and a BMS assembly in FIG. 4 6 is a cross-sectional view of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • a battery pack 10 includes a cell module assembly 100 , a BMS assembly 200 and a pack case 300 .
  • the pack case 300 includes a middle case 310 , an upper cover 320 and a lower cover 330 .
  • the middle case 310 may have a hollow shape with open upper and lower ends and into which the cell module assembly 100 and the BMS assembly 200 coupled to the lower side thereof can be inserted in a sliding manner.
  • the upper cover 320 and the lower cover 330 may be coupled to the open upper and lower ends of the middle case 310 and cover the upper and lower ends of the middle case 310 , respectively.
  • the middle case 310 it is provided with a metal material such as aluminum (A1) as a material having high mechanical rigidity and excellent heat dissipation to protect the cell module assembly 100 and the BMS assembly 200 from external impact. It can be.
  • the battery pack 10 may be configured to accommodate two cell module assemblies 100 coupled to the pack case 300 as shown in FIG. 5 .
  • Each of the two cell module assemblies 200 includes a plurality of battery cells 110 .
  • the battery cell 110 may be a cylindrical secondary battery.
  • the cylindrical battery cell 110 is sealed by placing an electrolyte solution and an electrode assembly in a cylindrical battery can, placing a top cap 112 on the upper open end of the battery can, and crimping the upper open end of the battery can. it may have been
  • the cylindrical battery cell 110 may have an electrode assembly wound in a jelly-roll shape with a separator interposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate, and a positive electrode tab is attached to the positive electrode plate and the positive electrode tab is connected to the top cap 112.
  • can A negative electrode tab may be attached to the negative electrode plate, and the negative electrode tab may be connected to the battery can.
  • the two cell module assemblies 100 may be configured so that the top caps 112 of the cylindrical battery cells 110 face each other. . 4 to 6, in the two cell module assembly 100, the top cap 112 of each battery cell 110 faces the central portion of the battery pack 10, and the top cap 112 of each battery cell 110
  • the bottom surface 111b of the battery can may be configured to face the outside of the battery pack 10 .
  • the two cell module assembly 100 includes a first cell module assembly 100A on the left side and a second cell module assembly 100B on the right side in FIG. 5, and as shown in FIG.
  • the first cell module assembly 100A may be disposed so that the top caps 112 of all the cylindrical battery cells 110 included therein face to the right, and the bottom surface 111b of the battery can faces to the left.
  • the second cell module assembly 100B may be disposed so that the top caps 112 of all the cylindrical battery cells 110 included therein face to the left, and the bottom surface of the battery can faces to the right.
  • the battery pack 10 since components for electrical connection and components for voltage/temperature sensing are located in the central region of the battery pack 10, durability against external impact and electrical safety are improved. can be increased
  • the bottom surface 111b of all the cylindrical battery cells 110 included in the two cell module assemblies 100A and 100B may be disposed closely facing the wall surface of the middle case 310, so that the cylindrical battery cell 110 ) can easily dissipate heat to the middle case 310.
  • heat is transferred from the cylindrical battery cells 110 to the middle case 310 more quickly by placing a thermally conductive material or a heat dissipation pad 170 in the space between the bottom surface of the cylindrical battery cells 110 and the middle case 310. can make it go away.
  • the battery pack 10 according to the present invention has a simple heat dissipation structure of the battery cells 110 and is very effective.
  • FIG. 7 is a perspective view of the first cell module assembly 100A of FIG. 5
  • FIG. 8 is a view showing the cell frame 120 of the first cell module assembly 100A of FIG. 7
  • FIG. 9 is a view of the first cell module assembly 100A of FIG. It is a diagram showing an exemplary configuration in which the battery cells 110 are accommodated in the cell frame 120.
  • first cell module assembly 100A and the second cell module assembly 100B included in the battery pack 10 of the present invention have substantially the same main components, the first cell module assembly 100A
  • the description of the second cell module assembly 100B is replaced with the description of .
  • the cell module assembly 100 includes a plurality of battery cells 110, a cell frame 120, a bus bar plate 130, and a sensing unit ( 140).
  • the plurality of battery cells 110 are cylindrical secondary batteries in which the top cap 112 is coupled to the upper end of the battery can, and the upper end of the battery can, that is, the top cap 112, is all facing in the same direction. It is accommodated in the frame 120.
  • the battery cells 110 may be placed upright inside the cell frame 120 in a state where the upper ends of battery cans are partially inserted into the cell holders 121a inside the cell frame 120 and held.
  • the cell frame 120 is provided in a rectangular box shape capable of standing and storing the plurality of battery cells 110 therein. As shown in FIGS. 1 and 2 , the cell frame 120 according to the present invention requires less manufacturing cost than the conventional cell frame divided into an upper part a1 and a lower part a2. There is an advantageous effect of simplifying the assembly process of the cell module assembly 100 .
  • the cell frame 120 is located at the receiving part 121 forming a space in which a plurality of cylindrical battery cells 110 can be erected and accommodated, in the direction of the upper end of the battery can. It includes an upper plate portion 122, an opening portion 123 located in the direction of the lower end of the battery can, and a side portion 124 forming a four-sided wall.
  • the accommodating part 121 refers to the inner space of the cell frame 120 surrounded by the top plate part 122 and the side part 124, and is configured to have a height corresponding to the length (or height) of the battery cells 110. It can be.
  • the cell frame 120 of this embodiment is provided in a form in which the side portions 124 of the four sides are extended by the length of the cylindrical battery cell 110 . Therefore, in the cell frame 120, the distance between the open portion 123 of the cell frame and the upper plate portion 122 of the cell frame may correspond to the length of the cylindrical battery cells.
  • the upper plate portion 122 of the cell frame supports the battery cells 110 under the top cap 112 when the battery cells 110 are erected with the top cap 112 facing down. It refers to one side plate surface of the cell frame 120 and has terminal connection holes 122a.
  • the terminal connection holes 122a may be configured so that upper ends of battery cans of all battery cells 110 are partially exposed to the outside of the upper plate portion 122 of the cell frame.
  • the top cap 112 of each battery cell 110 and the upper edge 111a of the battery can are It may be partially exposed to the outside of the upper plate portion 122 of the cell frame.
  • the positive electrode tab connected to the electrode assembly inside is connected to the top cap 112 and the negative electrode tab is connected to the battery can so that the top cap 112 is connected to the positive terminal of the battery cell 110. and the battery can functions as the negative terminal.
  • the cylindrical battery cell may wrap the battery can with an insulating sheet so that only the bottom surface and/or the top edge of the battery can function as a negative electrode terminal.
  • These cylindrical battery cells 110 are each of the battery cells 110
  • the top cap 112 of the cell frame or the upper edge 111a of the battery is connected in series and / or parallel with the bus bar plates 130 disposed on the outer surface of the upper plate 122 of the cell frame in a predetermined pattern. A more detailed description of the electrical connection configuration of the battery cells 110 will be described later.
  • the opening part 123 of the cell frame is located on the opposite side of the upper plate part 122 of the cell frame, and as shown in FIG. 8, only the outer edge portion remains and the inner portion of the outer edge portion is provided in an open form.
  • the open portion 123 of the cell frame 120 is directed upward and a cell insertion jig (not shown) is used for the cylindrical battery.
  • the cells 110 may be integrally inserted into the cell frame 120 .
  • the cell frame 120 includes cell holders 121a for fixing the battery cells 110 therein.
  • the cell holder 121a may be formed to surround at least a portion of the circumference of the upper end of the battery can.
  • the cell holder 121a protrudes from the top plate 122 of the cell frame 120 toward the opening 123 and surrounds the upper end of the battery can to a predetermined height. can be configured. In addition, the height or depth of the cell holder 121a may be lower than the middle height of the cylindrical battery cell 110 .
  • the cylindrical battery cells 110 By fitting and coupling the cylindrical battery cells 110 to each of these cell holders 121a, the cylindrical battery cells 110 can be stored in the cell frame 120 in a standing and held state at a predetermined position, as shown in FIG. there is.
  • the cylindrical battery cells 110 When the cylindrical battery cells 110 are accommodated in the receiving portion 121 of the cell frame 120 in this way, the cylindrical battery cells 110, as indicated by 'G' in FIG. 10, the cylindrical battery cells 110 ), predetermined gaps may be formed between them.
  • the cylindrical battery cell 110 is inserted into the cell holder 121a and held, but, for example, when the outer diameter of the cylindrical battery cell 110 is smaller than normal or the inner diameter of the cell holder 121a is larger than normal, the boundary of FIG. 11 As in # 1, when force is applied (with a finger) to two adjacent cylindrical battery cells 110, the battery cells flow and the gap can be narrowed as in 'G1' compared to the initial gap (when no force is applied) there is.
  • the outer diameter of the cylindrical battery cell 110 and the inner diameter of the cell holder 121a are both normal sizes, and the outer diameter of the cylindrical battery cell 110 is larger than the inner diameter of the cell holder 121a, but the cylindrical battery cell 110 is described above.
  • the force can be coupled to the cell holder 121a, as shown in boundary # 2 of FIG. 11, even if force (with a finger) is applied to two adjacent cylindrical battery cells 110, the battery cells 110 are tilted. Even if it loses, the gap may not narrow or flow as little as 'G2'.
  • the battery cells 110 included in the cell module assembly 100 have slightly different dimensions, and in particular, in the case of battery cells corresponding to boundary #1 in FIG. 11, when an external force (shock or vibration) acts, the fluidity increases It may trigger disconnection of the electrical connection part or increase the risk of short circuit.
  • cylindrical battery cells and cell frames may have dimensional tolerances during manufacture, and in the case of cylindrical battery cells, the outer diameter may be 21.00 mm to 21.15 mm, and the cell holder of the cell frame 120 In the case of (121a), the inner diameter may be 21.00 mm to 21.20 mm.
  • the cylindrical battery cell 110 can easily fit the cell holder 121a. It can be inserted and even if it is tilted, the gap between the cylindrical battery cells 110 can be secured by 1.0 mm.
  • the cylindrical battery cell 110 is forced against the cell holder 121a. It is fitted and does not move, and the gap between the cylindrical battery cells 110 can be secured by 1.2 mm.
  • the cylindrical battery cell 110 is the largest in the cell holder 121a. It is loosely fitted to increase the possibility of flow even with a small external impact, and because of this, when the battery cells 110 are tilted, the gap between the cylindrical battery cells 110 can be narrowed to 0.4 mm.
  • the cylindrical battery cells 110 may flow and tilt when external shock or vibration occurs, As a result, the risk of disconnection or short circuit of the metal wire (W) at the electrical connection portion (upper end side of the battery can) increases.
  • the cell module assembly 100 includes the cell spacer 150 as shown in FIGS. 12 to 13 .
  • the cell spacer 150 surrounds all or part of the circumference of the lower end of the battery can and is coupled to the opening 123 of the cell frame 120 to prevent the battery cells 110 from flowing and to maintain a constant distance. It is a component applied for
  • the cell spacer 150 may be made of an insulating material and formed in a plate-like shape, and includes a plurality of spacer holes 151 surrounding the lower end of the battery can and an outer portion of the opening 123 of the cell frame 120. A spacer rim portion that is snap-fit-coupled to the rim portion is included.
  • the spacer hole 151 may have a diameter corresponding to that of the battery can and may be formed to surround the lower end of the battery can.
  • the spacer hole 151 may be provided to have a diameter corresponding to the battery cell 110 having the maximum outer diameter of the cylindrical battery cell 110 within a dimensional (acceptable) tolerance range. That is, in the case of this embodiment, the spacer hole 151 may be provided with a diameter capable of wrapping around the lower end of the battery can of the battery cell 110 having an outer diameter of 21.15 mm.
  • the spacer rim includes a first rim 155a, a second rim 155b, a third rim 155c, and a fourth rim 155d, and a cell frame ( 120) may be configured to fit into the outer rim of the opening 123.
  • the battery cells 110 are inserted into the cell holder 121a at the upper end of the battery can and held at a predetermined position at the bottom of the battery can. It is placed upright with the surface 111b facing the opening 123 of the cell frame. Cell spacers 150 are mounted on lower ends of the battery cells 110 . At this time, the battery cells 110 may be held by partially inserting the lower end of the battery can into the spacer hole 151, and the bottom surface 111b of the battery can may be exposed to the outside.
  • the cell spacer 150 further includes arc-shaped holes 153 in an edge region, and the arc-shaped holes 153 are formed around the lower end of the cylindrical battery cell 110 disposed outside the cell frame 120. It may be configured to partially enclose the cylindrical battery cells 110 disposed on the outside to prevent movement.
  • the first rim portion 155a is fitted to the left open end of the cell frame opening portion 123
  • the second rim portion 155b is fitted to the cell frame opening portion 123 It can be fitted to the open end of the right side of and fixed to the cell frame 120.
  • the third edge portion 155c is disposed in contact with the lower end of the outermost battery cell in the +Z direction of the cell frame to prevent the outermost battery cell 110 in the +Z direction from moving in the -Z direction
  • the fourth edge portion 155d is disposed in contact with the lower end of the outermost battery cell 110 in the -Z direction of the cell frame 120, so that the outermost battery cell 110 in the -Z direction moves in the +Z direction. keep it from moving
  • a first outer rim portion 123a forming a horizontal surface and a second outer rim portion 123b forming a step lower than the first outer rim portion 123a by the thickness T1 of the cell spacer 150 includes If the height difference between the upper surface of the first outer rim part 123a and the upper surface of the second outer rim part 123b is 'T2' in FIG. 14, T2 is the thickness T1 of the cell spacer 150 and can be almost identical.
  • the cell spacer 150 surrounds the circumference of the lower end of the battery can indicated by 'P1' in which the spacer hole 151 is located below the bottom surface 111b of the battery can,
  • the ends of the second rim portions 155b may be fitted into the openings 123 of the cell frames 120 so as to come into contact with stepped surfaces of opposite outer rim portions of the cell frames 120 .
  • a part of the lower surface of the first rim portion 155a is seated on the second outer rim portion 123b on the left side of the open portion 123 of the cell frame 120, and A portion of the lower surface may be seated on the second outer edge portion 123b on the right side of the open portion 123 of the cell frame 120 .
  • the battery cells 110 are held by being inserted into the cell holder 121a at the upper end of the battery can, as well as being held at the lower end of the battery can. Also held by the cell spacer 150. Therefore, even if an external shock or vibration is applied to the cell module assembly 100, the flow of the battery cells 110 can be suppressed, so that the electrical stability and durability of the cell module assembly 100 can be increased.
  • FIG. 15 is a view showing the heat transfer member disposed on the bottom surface of the battery can in FIG. 14 .
  • the cell module assembly 100 may further include a screen plate 160 and a heat dissipation pad 170 .
  • the screen plate 160 supports the lower ends of the battery cells 110 and promotes heat absorption of the battery cells 110, and covers the cell spacer 150 and the bottom surface 111b of the battery can. and may be coupled to the cell frame 120.
  • the screen plate 160 may be a metal plate-shaped body formed of, for example, aluminum (Al) as a material having excellent thermal conductivity.
  • the screen plate 160 and the bottom surface 111b of the battery can be adhesively fixed to each other. According to this configuration, contact and thermal conductivity between the screen plate 160 and the battery cells 110 can be increased.
  • the screen plate 160 and/or the bottom surface 111b of the battery can be electrically insulated by an insulating film or an insulating coating.
  • one surface of the heat dissipation pad 170 may be disposed to contact the screen plate 160 .
  • the heat dissipation pad 170 may be made of a compressible material having excellent thermal conductivity.
  • the cell module assembly 100 is provided with the screen plate 160 and the heat dissipation pad 170 on the side of the opening 123 of the cell frame 120, so that when inserted into the pack case 300, FIG.
  • the heat dissipation pad 160 may be configured to contact the middle case 310 . Therefore, in the cell module assembly 100, the heat generated from the battery cells 110 is effectively discharged from the bottom surface 111b of the battery can to the middle case 310 through the screen plate 160 and the heat dissipation pad 170. It can go out, and the heat dissipation performance can be increased.
  • FIG. 16 is a view of the upper plate of the cell frame according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 17 is a view showing parts of the upper plate and side parts of the cell frame of FIG. 16
  • FIG. 18 is a view showing the upper plate and This is a view of the side view from a different angle.
  • a plurality of bus bar plates 130 may be disposed on one outer surface of the cell frame 120, that is, on the upper plate portion 122 of the cell frame.
  • the positive bus bar plate 130+ is disposed at the end of the +Z direction
  • the negative bus bar plate 130- is disposed at the end of the -Z direction
  • the positive bus bar plate 130+ and the negative bus bar plate 130+ are disposed.
  • Bus bar plates 130 may be disposed at predetermined intervals in the ⁇ Z direction between the bar plates 130-.
  • bus bar plates 130 move in the ⁇ Y direction in a straight line or zigzag form to avoid positions of terminal connection holes 122a or protrusions 122f formed in the upper plate 122 of the cell frame. It may be provided in an extended form.
  • the plurality of bus bar plates 130 are wire-bonded with the top caps 112 of the battery cells 110 exposed through the terminal connection holes 122a or the upper edge 111a of the battery can, so that the battery cells ( 110) serves to electrically connect them.
  • wire bonding means that both ends of the metal wire (W) are pressed to the object to be bonded by ultrasonic waves.
  • other bonding techniques such as laser welding, may be applied to the wire bonding, although not necessarily ultrasonic waves.
  • the top cap 112 is wire bonded to the positive bus bar plate 130+, and the battery The upper edge 111a of the can is wire-bonded to the second bus bar plate 130 adjacent to the positive bus bar plate 130+ in the -Z direction.
  • the top cap 112 is wire bonded to the second bus bar plate 130, and the upper edge 111a of the battery can is in the -Z direction. wire bonded to the third bus bar plate 130.
  • the top caps 112 of the battery cells 110 or the upper edges 111a of the battery cans are wire bonded to the corresponding bus bar plates 130, and finally, as indicated by 'C7' in FIG.
  • the battery cells 110 included in the cell module assembly 100 are serially formed in a 7S6P form. and may be connected in parallel.
  • the positive bus bar plate 130+ may function as a positive terminal of the cell module assembly 100 and the negative bus bar plate 130 - may function as a negative terminal of the cell module assembly 100 .
  • the sensing unit 140 includes a printed circuit board 141, a plurality of sensing plates 142, and a temperature sensing member 143.
  • the sensing unit 140 is disposed on the other outer surface of the cell frame 120 where the electrical connection to the battery cells 110 intersects the upper plate 122 of the cell frame configured as described above, and the bus bar plate ( 130) and is electrically connected by wire bonding to sense the voltage information of the battery cells 110.
  • the printed circuit board 141 a rigid printed circuit board 141 and a flexible printed circuit board 141 may be employed.
  • the cell module assembly 100 of this embodiment includes a rigid printed circuit board 141 to enhance durability, and the printed circuit board 141 has a circuit pattern for transmitting voltage information or temperature information of the battery cells 110. to provide
  • the printed circuit board 141 may be detachably attached to the side part 124 of the cell frame 120 .
  • the printed circuit board 141 is the side surface of the cell frame 120 crossing the top plate 122 of the cell frame on which the bus bar plates 130 are disposed. (124).
  • the printed circuit board 141 is configured so that the plate surface faces the side surface 124 of the cell frame 120 and the upper edge of the printed circuit board 141 is positioned at the same height as the top plate 122 of the cell frame. It can be.
  • the side part 124 of the cell frame 120 is provided so that the printed circuit board 141 can be disposed on the side part 124 of the cell frame 120, and the printed circuit board 141 is attached to the cell frame 120.
  • a substrate mounting holder 127 is included.
  • the substrate mounting holder 127 is provided at predetermined intervals along the length direction (Z direction) of the cell frame 120, and interferes with the temperature sensing member 143 or cable connector 146 on the printed circuit board 141. It may be provided on the side part 124 of the cell frame 120 so that it does not.
  • the plurality of sensing plates 142 are components connected to the bus bar plates 130 by wire bonding in order to sense voltages for each bank of battery cells 110 (battery cells 110 connected in parallel). .
  • the plurality of sensing plates 142 may be provided in a number corresponding to the bus bar plates 130 one-to-one and connected to the corresponding bus bar plates 130 through wire bonding.
  • the sensing plates 142 may be made of an electrically conductive metal such as nickel, copper (Cu), or silver (Ag).
  • the plurality of sensing plates 142 are provided in a structure that is bent at least once, one side is fixedly coupled to the printed circuit board 141 and the other side is of the cell frame 120 on which the bus bar plates 130 are disposed. They may be arranged parallel to the surface of the upper plate portion 122 .
  • the plurality of sensing plates 142 are made of electrically conductive metal and are provided in an approximate 'L' or 'L' shape, and are coupled to the printed circuit board 141 as in the exemplary configurations of FIGS. 19 to 20.
  • the sensing plate 142 is bent and extended from the board connection part 142a facing the plate surface of the printed circuit board 141 and the board connection part 142a to the edge of one outer surface of the cell frame 120. It includes a frame mounting portion 142b that can be placed face to face. According to this configuration, as shown in FIG.
  • the frame mounting portions 142b of the sensing plates 142 may be disposed to face the edge of the upper plate portion 122 of the cell frame.
  • the frame mounting portions 142b of the sensing plates 142 are disposed alternately with one end of the bus bar plates 130 at the edge of the cell frame 120. It can be.
  • the bus bar plates 130 widely distributed in the inner region of the edge of the upper plate 122 of the cell frame do not interfere with the wire bonding area connecting the battery cells 110 and the corresponding bus bar plates ( 130), the sensing plate 142 and the bus bar plate 130 can be connected as much as possible even with a short metal wire (W).
  • the bus bar plate 130 and the sensing plate 142 may be connected by two metal wires (W). In this case, voltage sensing is possible even if one of the two metal wires W is disconnected, so reliability and durability of voltage sensing can be increased.
  • the metal wire (W) connecting the battery cell 110 and the bus bar plate 130 or the sensing plate 142 and the bus bar plate 130 according to the present embodiment has a diameter of 0.12 mm to 0.8 mm and a length of It is 5mm to 10mm and can be provided with aluminum material. According to the configuration as described above, the metal wire W can operate as a fuse when the battery pack 10 is externally short-circuited.
  • the metal wire W is configured as described above, so that, for example, when a current of 47.4 A or more flows, the metal wire W of at least one bank of battery cells 110 All of them may be cut off so that the flow of current to the cell module assembly 100 may be blocked.
  • the metal wire (W) can be appropriately selected in diameter and length as needed, and its material may also be made of a metal such as copper or nickel.
  • the temperature sensing member 143 includes two temperature sensing members 143A and 143B having different lengths.
  • the relatively long temperature sensing member 143 is the first temperature sensing member 143A used to measure the central temperature of the cell module assembly 100, and has a relatively long length.
  • the short temperature sensor is the second temperature sensing member 143B used to measure the outside temperature of the cell module assembly 100 .
  • the first temperature sensing member 143A includes a first cable 144a extending from the printed circuit board 141 by a predetermined length and a first thermistor 144b coupled to an end of the first cable 144a. do.
  • the second temperature sensing member 143B includes a second cable 145a extending from the printed circuit board 141 by a predetermined length and a second thermistor 145b coupled to an end of the second cable 145a. do.
  • the first cable 144a is longer than the second cable 145a, and the first cable 144a and the second cable 145a extend in opposite directions.
  • the battery pack 10 needs to accurately sense heat generated from the battery cells 110 during charging and discharging, and manage charging and discharging accordingly or cool it. Otherwise, the deterioration rate of the battery cells 110 is increased and performance is deteriorated.
  • the plurality of bus bar plates 130 may be disposed on one outer surface of the cell frame 120, that is, on the upper plate portion 122 of the cell frame.
  • the positive bus bar plate 130+ is disposed at the end of the +Z direction
  • the negative bus bar plate 130- is disposed at the end of the -Z direction
  • the positive bus bar plate 130+ and the negative bus bar plate 130+ are disposed.
  • Bus bar plates 130 may be disposed at predetermined intervals in the ⁇ Z direction between the bar plates 130-.
  • bus bar plates 130 move in the ⁇ Y direction in a straight line or zigzag form to avoid positions of terminal connection holes 122a or protrusions 122f formed in the upper plate 122 of the cell frame. It may be provided in an extended form.
  • the plurality of bus bar plates 130 are wire-bonded with the top caps 112 of the battery cells 110 exposed through the terminal connection holes 122a or the upper rim 111a of the battery can, so that the battery cells 110 ) serves to electrically connect them.
  • wire bonding means that both ends of the metal wire (W) are pressed to the object to be bonded by ultrasonic waves.
  • other bonding techniques such as laser welding, may be applied to the wire bonding, although not necessarily ultrasonic waves.
  • the six battery cells 110 indicated by 'C1' in FIG. 11 are electrically connected by wire bonding the top cap 112 to the positive bus bar plate 130+.
  • the upper edge 111a of the battery can is electrically connected to the positive bus bar plate 130+ by wire bonding to the second bus bar plate 130 adjacent in the -Z direction.
  • the six battery cells 110 indicated by 'C2' in FIG. 11 are electrically connected by wire bonding the top cap 112 to the second bus bar plate 130, and the upper edge 111a of the battery can It is connected to the third bus bar plate 130 in the -Z direction.
  • the top cap 112 of the battery cells 110 or the upper edge 111a of the battery can is wire-bonded to the corresponding bus bar plates 130, and finally, the last one indicated by 'C7' in FIG.
  • the battery cells 110 included in the cell module assembly 100 are connected in series and in the form of 7S6P. can be connected in parallel.
  • the positive bus bar plate 130+ may function as a positive terminal of the cell module assembly 100 and the negative bus bar plate 130 - may function as a negative terminal of the cell module assembly 100 .
  • the sensing unit 140 includes a printed circuit board 141, a plurality of sensing plates 142, and a temperature sensing member 143.
  • the sensing unit 140 is disposed on the other outer surface of the cell frame 120 where the electrical connection to the battery cells 110 intersects the upper plate 122 of the cell frame configured as described above, and the bus bar plate ( 130) and is electrically connected by wire bonding to sense the voltage information of the battery cells 110.
  • the printed circuit board 141 As the printed circuit board 141, a rigid printed circuit board 141 and a flexible printed circuit board 141 may be employed.
  • the cell module assembly 100 of this embodiment employs a rigid printed circuit board 141 to enhance durability.
  • the printed circuit board 141 includes a circuit pattern for transmitting voltage information or temperature information of the battery cells 110 .
  • the printed circuit board 141 may be detachably attached to the side part 124 of the cell frame 120 .
  • the printed circuit board 141 is the side surface of the cell frame 120 crossing the upper plate 122 of the cell frame on which the bus bar plates 130 are disposed. (124).
  • the printed circuit board 141 is configured so that the plate surface faces the side surface 124 of the cell frame 120 and the upper edge of the printed circuit board 141 is positioned at the same height as the top plate 122 of the cell frame. It can be.
  • the side part 124 of the cell frame 120 is provided so that the printed circuit board 141 can be disposed on the side part 124 of the cell frame 120, and the printed circuit board 141 is attached to the cell frame 120.
  • a substrate mounting holder 127 is included.
  • the substrate mounting holder 127 is provided at predetermined intervals along the length direction (Z direction) of the cell frame 120, and interferes with the temperature sensing member 143 or cable connector 146 on the printed circuit board 141. It may be provided on the side part 124 of the cell frame 120 so that it does not.
  • the plurality of sensing plates 142 are components connected to the bus bar plates 130 by wire bonding in order to sense voltages for each bank of battery cells 110 (battery cells 110 connected in parallel). .
  • the plurality of sensing plates 142 may be provided in a number corresponding to the bus bar plates 130 one-to-one and connected to the corresponding bus bar plates 130 through wire bonding.
  • the sensing plates 142 may be made of an electrically conductive metal such as nickel, copper (Cu), or silver (Ag).
  • the plurality of sensing plates 142 are provided in a structure bent at least once, one side is fixedly coupled to the printed circuit board 141 and the other side is the cell frame 120 on which the bus bar plates 130 are disposed. It can be arranged side by side on the surface of the upper plate portion 122 of.
  • the plurality of sensing plates 142 are made of electrically conductive metal and are provided in an approximate 'L' or 'L' shape, and are coupled to the printed circuit board 141 as shown in the exemplary embodiment of FIGS. 16 to 17.
  • the sensing plate 142 is bent and extended from the board connection part 142a facing the plate surface of the printed circuit board 141 and the board connection part 142a to the edge of one outer surface of the cell frame 120. It includes a frame mounting portion 142b that can be placed face to face. According to this configuration, as shown in FIG.
  • the frame mounting portions 142b of the sensing plates 142 may be disposed to face the edge of the upper plate portion 122 of the cell frame.
  • the frame mounting portions 142b of the sensing plates 142 are disposed alternately with one end of the bus bar plates 130 at the edge of the cell frame 120. It can be.
  • the bus bar plates 130 widely distributed in the inner region of the edge of the upper plate 122 of the cell frame do not interfere with the wire bonding area connecting the battery cells 110 and the corresponding bus bar plates ( 130), the sensing plate 142 and the bus bar plate 130 can be connected as much as possible even with a short metal wire (W).
  • the bus bar plate 130 and the sensing plate 142 may be connected by two metal wires (W). In this case, voltage sensing is possible even if one of the two metal wires W is disconnected, so reliability and durability of voltage sensing can be increased.
  • the metal wire (W) connecting the battery cell 110 and the bus bar plate 130 or the sensing plate 142 and the bus bar plate 130 according to the present embodiment has a diameter of 0.12 mm to 0.8 mm and a length of It is 5mm to 10mm and can be provided with aluminum material. According to the configuration as described above, the metal wire W can operate as a fuse when the battery pack 10 is externally short-circuited.
  • the metal wire W is configured as described above, so that, for example, when a current of 47.4 A or more flows, the metal wire W of at least one bank of battery cells 110 All of them may be cut off so that the flow of current to the cell module assembly 100 may be blocked.
  • the metal wire (W) can be appropriately selected in diameter and length as needed, and its material may also be made of a metal such as copper or nickel.
  • the temperature sensing member 143 includes two temperature sensing members 143 having different lengths.
  • the relatively long temperature sensing member 143 is the first temperature sensing member 143A used to measure the central temperature of the cell module assembly 100, and the relatively short temperature sensing member 143A.
  • the sensor is the second temperature sensing member 143B used to measure the outside temperature of the cell module assembly 100 .
  • the first temperature sensing member 143A includes a first cable 144a extending from the printed circuit board 141 by a predetermined length and a first thermistor 144b coupled to an end of the first cable 144a. do.
  • the second temperature sensing member 143B includes a second cable 145a extending from the printed circuit board 141 by a predetermined length and a second thermistor 145b coupled to an end of the second cable 145a. do.
  • the first cable 144a is longer than the second cable 145a, and the first cable 144a and the second cable 145a extend in opposite directions.
  • the battery pack 10 needs to accurately sense heat generated from the battery cells 110 during charging and discharging, and manage charging and discharging accordingly or cool it. Otherwise, the deterioration rate of the battery cells 110 is increased and performance is deteriorated. Therefore, in order to effectively perform thermal management of the battery cells 110 included in the cell module assembly 100, the temperature of the battery cell 110 with the highest temperature among the battery cells 110 and the battery cell 110 with the lowest temperature It is necessary to accurately determine the temperature of When the battery cells 110 are accommodated in the cell frame 120 like the cell module assembly 100 of this embodiment, the temperature of the battery cells in the central region is high inside the cell frame due to the heat island effect in the center and spreads to the outer region. As time goes by, the temperature of the battery cells is relatively low.
  • the temperature of the battery cell 110 in the central region of the cell frame 120 having the highest temperature is measured by the first temperature sensing member 143A. configured to be measurable.
  • the temperature sensing hole 122b is formed on the surface of the upper plate 122 of the cell frame so that the battery cell 110 having the highest temperature and the first thermistor 144b contact each other. It is configured to be able to insert the first thermistor (144b) from the outside to the inside of (120).
  • a temperature sensing hole 122b may be provided in the upper plate 122 of the cell frame corresponding to the central region of the cell frame 120, and the temperature sensing hole 122b of the first temperature sensing member 143A
  • the first thermistor 144b is inserted into the cell frame 120 through the temperature sensing hole 122b, that is, into the accommodating portion 121 of the cell frame 120, and is disposed in the central region of the cell frame 120. In contact with the outer periphery of the battery cell 110 there is sensed the temperature.
  • a portion of the first cable 144a of the first temperature sensing member 143A is wired from the edge of the upper plate 122 of the cell frame to the position of the temperature sensing hole 122b.
  • a plurality of cable guide ribs 122c, 122d, and 122e protrude from the upper plate 122 of the cell frame, so that the first cable 144a is routed from the edge of the upper plate 122 of the cell frame. It can be wired in a straight line without bending up to the temperature sensing hole 122b.
  • the plurality of cable guide ribs 122c, 122d, and 122e may be configured to protrude on the straight wiring path of the first cable 144a, as in the embodiment of FIG.
  • the plurality of cable guide ribs 122c, 122d, and 122e include an inlet support rib 122e provided near the circumference of the temperature sensing hole 122b.
  • the inlet support rib 122e serves to support the portion of the first cable 144a immediately before being introduced into the temperature sensing hole 122b at a predetermined height from the surface of the upper plate 122 of the cell frame. do.
  • the first cable 144a does not need to be bent. That is, the first cable 144a is spaced apart from the surface of the upper plate 122 of the cell frame by the plurality of cable guide ribs 122c, 122d, and 122e, and the upper end of the battery cell 110 or the bus bar plate 130 or a metal wire (W) may be wired in a straight line.
  • the plurality of cable guide ribs 122c, 122d, and 122e prevent the left and right movement of the first cable 144a, thereby preventing the first thermistor 144b from departing from its original position.
  • the second temperature sensing member 143B may be configured to measure the temperature of one battery cell 110 among battery cells 110 located in an outer region of the cell module assembly 100 .
  • the side part 124 of the cell frame 120 crossing the upper plate part 122 of the cell frame has a side cutout 128 formed therethrough.
  • the side of the battery cell 110 located in the outermost part of the cell frame 120, that is, the accommodating part 121, may be exposed to the outside through the side cutout 128.
  • the second cable 145a of the second temperature sensing member 143B extends from the printed circuit board 141 to the position of the side cutout 128, and the second thermistor 145b extends through the side cutout 128. It may be configured to contact the side of the battery cell 110 exposed through. At this time, a thermally conductive adhesive (not shown) may be used to stably fix the second thermistor 145b to the side of the battery cell 110 .
  • voltage information and temperature information of the battery cells 110 included in the cell module assembly 100 are sensed, and the voltage information and temperature information are transmitted from the printed circuit board 141 to the cable connector. It may be transmitted to the BMS assembly 200 through 146.
  • FIG. 21 and 22 are views showing before and after assembling two cell module assemblies 100A and 100B according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 23 is a BMS assembly 200 to the two cell module assembly of FIG. 22 ) is a drawing showing the assembly.
  • the battery pack 10 includes two cell module assemblies 100 .
  • the two cell module assemblies 100A and 100B may be configured so that the cell frames 120 may be coupled so that the upper plates 122 of the cell frames face each other.
  • the upper plate 122 of any one of the two cell frames 120 includes one or more protrusions 122f protruding in the coupling direction
  • the upper plate portion 122 may include one or more space maintaining columns 122g protruding in a coupling direction and provided to insert the protrusions 122f inside. That is, a plurality of protrusions 122f are provided on the upper plate portion 122 of the cell frame of the first cell module assembly 100A, and the gap is maintained on the upper plate portion 122 of the cell frame of the second cell module assembly 100B.
  • Columns 122g may be provided to correspond to the number and positions of the protrusions 122f.
  • the protrusions 122f of the first cell module assembly 100A are press-fitted and coupled to the spacing maintaining columns 122g of the second cell module assembly 100B.
  • the first cell module assembly 100A and the second cell module assembly 100B maintain a constant distance from each other as shown in 'D1' shown in FIG. 22 by the coupled protrusions 122f and the space maintaining column 122g. and can be coupled without relative flow. Therefore, the wire bonding area formed on the upper plate portion 122 of the cell frame of the first cell module assembly 100A and the wire bonding area formed on the upper plate portion 122 of the cell frame of the second cell module assembly 100B do not contact each other. And, as shown in FIG.
  • two cell module assemblies 100 physically coupled to each other may be serially connected to each other by an interconnection bus bar 180 .
  • the interconnection bus bar 180 is placed in contact with the positive bus bar plate 130+ of the first cell module assembly 100A and the negative bus bar plate 130- of the second cell module assembly 100B. It depends on the metal plate to be Accordingly, the battery cells 110 included in the battery pack 10 according to the present embodiment may be connected in series and parallel in a 14S6P form.
  • These two cell module assemblies 100A and 100B have the BMS assembly 200 coupled to the lower side and can be inserted into the middle case 310 in a sliding manner, and the upper cover 320 is formed on the top of the middle case 310. may be coupled, and the lower cover 330 may be coupled to the lower end of the middle case 310 .
  • the top caps 112 of the battery cells 110 included in the first cell module assembly 100A are at the center of the battery pack 10. portion and the bottom of the cell can faces the outer portion of the battery pack 10. Also, the top cap 112 of the battery cells 110 included in the second cell module assembly 100B faces the central portion of the battery pack 10 and the bottom of the battery can faces the outer portion of the battery pack 10. do.
  • components such as the bus bar plates 130 for electrical connection or voltage/temperature sensing, the sensing unit 140, and the metal wire W are located in the central area of the pack case 300, thereby protecting against external impact. Durability and electrical safety can be increased.
  • the bottom surfaces of all the cylindrical battery cells 110 included in the two-cell module assembly 100 are located close to the wall of the pack case 300, the rows of the cylindrical battery cells 110 are transferred to the middle case 310. Can be easily dissipated.
  • the battery pack according to the present invention may be applied to means of transportation such as electric scooters and electric vehicles. That is, the electric scooter or electric vehicle according to the present invention may include one or more battery packs according to the present invention.

Abstract

본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리는, 전지 캔과 상기 전지 캔의 상단부에 결합되는 탑 캡을 구비한 복수의 원통형 전지셀들; 내부에 상기 복수의 원통형 전지셀들을 세워서 수납할 수 있는 수용부와 일면에 개방부를 구비하는 셀 프레임; 및 상기 전지 캔의 하단부 둘레의 전부 또는 일부를 감싸며 상기 셀 프레임의 개방부에 결합되는 셀 스페이서를 포함할 수 있다.

Description

셀 모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩
본 출원은 2021년 6월 24일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2021-0082680호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원가적인 측면과 공정 단순화 측면에서 셀 프레임의 개수의 줄이고 전지셀들의 유동을 방지하여 쇼트 발생 가능성을 최소화하고 내구성을 향상한 셀 모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성이 있는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle), 전기 스쿠터(Electric Scooter) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지셀, 즉, 단위 전지셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서 현재, 이차 전지셀 1개로는 예컨대 전기스쿠터를 구동할 수 있을 만큼의 충분한 출력을 얻을 수 없다. 전기 스쿠터의 에너지원으로 이차 전지를 적용하기 위해서는 예컨대 복수 개의 리튬이온 전지셀들을 직렬 및/또는 병렬 연결한 배터리 모듈을 구성해야 하며, 통상 직렬 형태로 상기 배터리 모듈들을 연결하고 이를 기능적으로 유지해주는 BMS(Battery Management System), BDU(Battery Disconnection Unit), 전기적 연결 부품 등을 포함한 배터리 팩을 구성한다.
한편, 도 1은 종래 기술의 배터리 팩에 포함된 2개의 셀 모듈 어셈블리(CMA A, CMA B)를 도시한 도면이다. 종래의 셀 모듈 어셈블리(CMA A)의 경우, 원통형 전지셀들을 수납 및 고정하기 위해 2개의 셀 프레임(a1,a2)을 포함한다. 즉, 종래의 셀 모듈 어셈블리(CMA A)는 2개의 셀 프레임(a1, a2)을 조립해서 도 2와 같이 전지셀들을 수납 및 고정한다. 따라서 배터리 팩이 2개의 셀 모듈 어셈블리(CMA A,CMA B)을 포함하도록 배터리 팩을 구성하려면, 4개의 셀 프레임들(a1,a2,b1,b2)이 필요하다. 이러한 종래 기술에 따른 배터리 팩은 조립 공정이 많고 부품수가 증가함에 따라서 생산단가가 올라가는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 원가적인 측면과 공정 단순화 측면에서 종래에 2개로 구성되던 셀 프레임을 하나의 셀 프레임으로 제작하고, 이러한 하나의 셀 프레임에 전지셀들이 유동없이 수납될 수 있도록 구성한 셀 모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전기적 안전성과 방열성이 우수한 셀 모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따른 셀 모듈 어셈블리는, 전지 캔과 상기 전지 캔의 상단부에 결합되는 탑 캡을 구비한 복수의 원통형 전지셀들; 내부에 상기 복수의 원통형 전지셀들을 세워서 수납할 수 있는 수용부와 일면에 개방부를 구비하는 셀 프레임; 및 상기 전지 캔의 하단부 둘레의 전부 또는 일부를 감싸며 상기 셀 프레임의 개방부에 결합되는 셀 스페이서를 포함할 수 있다.
모든 상기 복수의 원통형 전지셀들은, 상기 전지 캔의 하단부가 상기 셀 프레임의 개방부를 향하고, 상기 전지 캔의 상단부는 상기 전지 캔의 상단부가 상기 셀 프레임의 개방부와 반대 방향에 위치한 셀 프레임의 상판부를 향하도록 상기 셀 프레임에 수납되고, 상기 셀 스페이서는 절연성 소재로 마련되고, 상기 전지 캔의 하단부 둘레를 감싸는 스페이서 홀을 구비할 수 있다.
상기 스페이서 홀은 상기 전지 캔의 지름에 대응하는 직경을 갖도록 마련될 수 있다.
상기 복수의 원통형 전지셀들은, 상기 셀 프레임의 내부에 구비되고 상기 전지 캔의 상단부 둘레의 적어도 일부분을 에워싸는 셀 홀더에 의해 지지되어 기립 배치될 수 있다.
상기 셀 프레임은, 상기 셀 프레임의 개방부와 상기 셀 프레임의 상판부 사이 거리가 상기 원통형 전지셀들의 길이에 대응하게 구성될 수 있다.
상기 셀 프레임의 개방부는 둘레를 형성하는 외곽 테두리부를 포함하고, 상기 외곽 테두리부는, 상기 전지 캔의 바닥면과 수평한 면을 이루는 제1 외곽 테두리부와, 상기 셀 스페이서의 두께만큼 상기 제1 외곽 테두리부보다 낮게 단차를 형성하는 제2 외곽 테두리부를 포함하고, 상기 셀 스페이서는 그 테두리의 적어도 일부분이 상기 제2 외곽 테두리부 상에 안착되게 마련될 수 있다.
상기 셀 스페이서와 상기 전지 캔의 바닥면을 커버하며 상기 셀 프레임에 결합되는 스크린 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 전지 캔의 바닥면과 상기 스크린 플레이트는 상호 간 접착 고정될 수 있다.
상기 셀 프레임의 상판부는 상기 전지 캔의 상단부을 부분적으로 노출시키는 단자 연결홀들을 구비하고, 상기 원통형 전지셀들은 상기 탑 캡 또는 상기 전지 캔의 상단 테두리가 상기 단자 연결홀들을 통해 노출되고, 상기 셀 프레임의 상판부의 외측면에 구비되는 복수의 버스바 플레이트들과 와이어 본딩될 수 있다.
상기 셀 프레임의 상판부의 외측면과 교차하는 상기 셀 프레임의 측면부에 센싱 유닛이 구비되고, 상기 센싱 유닛은, 상기 셀 프레임에 착탈 결합되는 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판에 결합되고 상기 버스바 플레이트들과 와이어 본딩된 복수의 센싱 플레이트들; 및 상기 인쇄회로기판에 결합되고 소정 거리 이격된 상기 전지셀들 중 하나 이상의 전지셀의 온도를 측정하는 온도 센싱부재;를 포함할 수 있다.
상기 복수의 센싱 플레이트들은, 상기 버스바 플레이트들과 일대일 대응하는 개수로 구비되고 각각 대응하는 상기 버스바 플레이트들과 와이어 본딩으로 연결될 수 있다.
상기 복수의 센싱 플레이트들은, 각각 적어도 1회 절곡된 구조로 마련되어 일측은 상기 인쇄회로기판에 고정 결합되고 타측은 상기 버스바 플레이트들이 배치된 상기 셀 프레임의 외측 일면에 나란하게 배치될 수 있다.
상기 복수의 센싱 플레이트들은, 각각 상기 인쇄회로기판에 부착되는 기판 연결부;와 상기 기판 연결부에서 연장되어 상기 셀 프레임의 외측 일면 가장자리에 배치되는 프레임 안착부를 포함할 수 있다.
상기 버스바 플레이트들의 일단부와 상기 센싱 플레이트들의 프레임 안착부는 서로 교번적으로 이웃하게 배치될 수 있다.
상기 온도 센싱부재는, 일단부가 상기 셀 프레임의 내부로 삽입 배치되는 제1 온도 센싱부재를 포함하고, 상기 제1 온도 센싱부재는 상기 인쇄회로기판에서 소정 길이만큼 연장되는 제1 케이블;과 상기 제1 케이블의 말단에 결합되는 제1 써미스터를 구비하고, 상기 제1 써미스터는 상기 셀 프레임의 상판부에 관통 형성된 온도 센싱홀을 통해 상기 수용부에 삽입 배치되고 상기 전지셀과 접촉하게 구성될 수 있다.
상기 제1 써미스터가 접촉하는 상기 전지셀은, 상기 셀 프레임의 내부에서 중심 영역에 있는 전지셀 중 하나일 수 있다.
상기 셀 프레임의 상판부는, 상기 인쇄회로기판에서 상기 온도 센싱홀까지 직선으로 배선되게 상기 제1 케이블의 직선 배선 경로 상에 돌출 형성되는 복수의 케이블 가이드 리브를 포함할 수 있다.
상기 복수의 케이블 가이드 리브들은, 상기 케이블에서 상기 온도 센싱홀에 인입되기 직전 부위를 상기 셀 프레임 상판부의 표면에서 소정 높이로 이격되게 지지하는 인입부 지지리브를 포함할 수 있다.
상기 온도 센싱부재는, 상기 셀 프레임의 상판부와 교차하는 상기 셀 프레임의 외측 타면에 관통 형성된 측부 절개공까지 일단부가 연장되는 제2 온도 센싱부재를 포함하고, 상기 제2 온도 센싱부재는 상기 인쇄회로기판에서 소정 길이만큼 연장되는 제2 케이블;과 상기 제2 케이블의 말단에 결합되는 제2 써미스터를 구비하고, 상기 제2 써미스터는 상기 측부 절개공을 통해 상기 수용부에서 최외곽에 위치한 전지셀의 측부에 접촉하게 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 셀 모듈 어셈블리를 포함하는 배터리 팩으로서, 상기 전지셀들이 전지 캔의 상단부가 모두 같은 방향을 향하도록 상기 셀 프레임에 수용되고, 상호 간의 상기 전지셀들의 탑 캡들이 서로 마주하도록 상호 간의 상기 셀 프레임들이 결합된 2개의 상기 셀 모듈 어셈블리; 2개의 상기 셀 모듈 어셈블리의 일측에 결합된 BMS 어셈블리; 및 상기 2개의 상기 셀 모듈 어셈블리와 상기 BMS 어셈블리를 일체로 수용하는 팩 케이스를 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
상기 셀 프레임들은, 각각 상기 전지셀들의 탑 캡들과 대향하는 면인 상기 셀 프레임의 상판부를 포함하고, 상기 셀 프레임들 중 어느 하나의 셀 프레임의 상판부는 결합 방향으로 돌출 형성된 하나 이상의 돌기를 구비하고, 다른 하나의 셀 프레임의 상판부는 결합 방향으로 돌출 형성되고 상기 돌기를 내측에 끼울 수 있게 마련된 하나 이상의 간격유지 컬럼을 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 전기 스쿠터가 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 팩을 포함하는 전기 자동차가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 하나의 셀 프레임으로 원통형 전지셀들을 수납할 수 있고, 상기 하나의 셀 프레임 내에 원통형 전지셀들이 상호 간 접촉하지 않고 유동없이 수납 및 고정될 수 있는 셀 모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전기적 안전성과 방열성이 우수한 셀 모듈 어셈블리 및 이를 포함하는 배터리 팩이 제공될 수 있다.
따라서 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은 전기적 연결을 위한 부품 및 전압/온도 센싱을 위한 부품이 팩 케이스의 안쪽 중심 영역에 위치하게 됨으로써 외부 충격에 대한 내구성과 전기적 안전성이 증대될 수 있고, 모든 전지셀들의 바닥면이 팩 케이스의 벽면 쪽에 위치하게 됨으로써 방열이 효과적으로 이루어질 수 있다.
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.
도 1은 종래 기술의 배터리 팩에 포함되는 2개의 셀 모듈 어셈블리(CMA)를 도시한 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 셀 모듈 어셈블리에 포함된 셀 프레임의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이다.
도 4는 도 3의 배터리 팩의 부분 분해 사시도이다.
도 5는 도 4에서 2개의 셀 모듈 어셈블리와 BMS 어셈블리를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 단면도이다.
도 7은 도 5의 제1 셀 모듈 어셈블리의 사시도이다.
도 8은 도 7의 제1 셀 모듈 어셈블리의 셀 프레임을 도시한 도면이다.
도 9는 도 8의 셀 프레임에 전지셀들을 수납한 실시 구성을 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 부분 확대도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 프레임의 셀 홀더들의 치수 공차로 인해 발생하는 전지셀들 사이의 갭(Gap) 차이를 나타낸 사진들이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 스페이서의 사시도이다.
도 13은 도 12의 셀 스페이서를 도 9의 실시 구성에 적용한 도면이다.
도 14는 도 13의 A-A'에 따른 부분 절개 사시도이다.
도 15는 도 14에서 전지 캔의 바닥면에 배치되는 열전달 부재를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 프레임의 상판부를 바라본 도면이다.
도 17는 도 16의 셀 프레임의 상판부 및 측면부 일부분을 도시한 도면이다.
도 18는 도 17의 셀 프레임의 상판부 및 측면부를 다른 각도에서 바라본 도면이다.
도 19는 도 18의 센싱 유닛의 사시도이다.
도 20은 도 19의 센싱 유닛의 측면도이다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 셀 모듈 어셈블리의 조립 전과 후를 도시한 도면들이다.
도 23은 도 22의 2개의 셀 모듈 어셈블리에 BMS 어셈블리를 조립한 것을 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 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이고, 도 4는 도 3의 배터리 팩의 부분 분해 사시도이고, 도 5는 도 4에서 2개의 셀 모듈 어셈블리와 BMS 어셈블리를 도시한 사시도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 단면도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 셀 모듈 어셈블리(100), BMS 어셈블리(200) 및 팩 케이스(300)를 포함한다.
상기 팩 케이스(300)는 미들 케이스(310), 상부 커버(320) 및 하부 커버(330)를 포함한다. 상기 미들 케이스(310)는 상단과 하단이 개방되고 상기 셀 모듈 어셈블리(100)와 그 하측에 결합된 상기 BMS 어셈블리(200)를 일체로 슬라이드 방식으로 삽입할 수 있는 중공 형상으로 구성될 수 있다. 상기 상부 커버(320)와 상기 하부 커버(330)는 각각 상기 미들 케이스(310)의 개방된 상단과 하단에 결합되고 상기 미들 케이스(310)의 상단과 하단을 커버할 수 있게 구성될 수 있다. 상기 미들 케이스(310)의 경우, 외부 충격으로부터 상기 셀 모듈 어셈블리(100)와 BMS 어셈블리(200)를 보호할 수 있도록 기계적 강성이 높고 방열성이 우수한 소재로서 예컨대 알루미늄(A1)과 같은 금속 소재로 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은 상기 팩 케이스(300)에, 도 5와 같이, 2개의 셀 모듈 어셈블리(100)를 결합하여 수납할 수 있게 구성될 수 있다. 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리(200)는 각각 다수의 전지셀(110)들을 포함한다. 여기서 상기 전지셀(110)은 원통형 이차전지일 수 있다. 상기 원통형 전지셀(110)은 원통 형상의 전지 캔 속에 전해액과 전극 조립체를 넣고 상기 전지 캔의 상부 개방단에 탑 캡(112)을 배치하고 전지 캔의 상부 개방단을 크림핑(crimping)하여 밀봉한 것일 수 있다. 상기 원통형 전지셀(110)은 양극판과 음극판 사이에 분리막을 개재하고 젤리-롤 형으로 권취한 전극 조립체를 가질 수 있으며, 상기 양극판에는 양극 탭이 부착되고 상기 양극 탭은 탑 캡(112)에 연결될 수 있다. 그리고 상기 음극판에는 음극 탭이 부착되고 상기 음극 탭은 전지 캔에 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)에서, 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리(100)는, 상호 간에 원통형 전지셀(110)의 탑 캡(112)이 서로 마주보도록 구성될 수 있다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 2개의 셀 모듈 어셈블리(100)는, 각 전지셀(110)의 탑 캡(112)이 배터리 팩(10)의 중앙 부분을 향하고, 각 전지셀(110)의 전지 캔의 바닥면(111b)은 배터리 팩(10)의 바깥 부분을 향하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리(100)는, 도 5에서 좌측편의 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)와 우측편의 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)를 포함하고, 도 6과 같이, 상기 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)는 내부에 포함된 모든 원통형 전지셀(110)들의 탑 캡(112)이 우측을 향하고, 전지 캔의 바닥면(111b)이 좌측을 향하도록 배치될 수 있다. 그리고 상기 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)는, 내부에 포함된 모든 원통형 전지셀(110)들의 탑 캡(112)이 좌측을 향하고, 전지 캔의 바닥면이 우측을 향하도록 배치될 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 전기적 연결을 위한 부품 및 전압/온도 센싱을 위한 부품이 배터리 팩(10)의 중앙 영역에 위치하게 됨으로 외부 충격에 대한 내구성과 전기적 안전성이 증대될 수 있다. 또한, 상기 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A, 100B)에 포함된 모든 원통형 전지셀(110)들의 바닥면(111b)이 미들 케이스(310)의 벽면과 가깝게 대면하게 배치될 수 있어 원통형 전지셀(110)들의 열을 미들 케이스(310)로 쉽게 방열시킬 수 있다. 나아가 상기 원통형 전지셀(110)들의 바닥면과 미들 케이스(310) 사이 공간에 열전도성 물질이나 방열 패드(170)를 배치하여 원통형 전지셀(110)들에서 미들 케이스(310)로 열이 보다 빠르게 빠져나가도록 할 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 배터리 팩(10)은 전지셀(110)들의 방열 구조가 단순하면서도 매우 효과적이다.
이하에서는 상기와 같은 배터리 팩(10)에 포함된 본 발명에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)에 대해 보다 자세히 살펴보기로 한다.
도 7은 도 5의 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)의 사시도이고, 도 8은 도 7의 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)의 셀 프레임(120)을 도시한 도면이며, 도 9는 도 8의 셀 프레임(120)에 전지셀(110)들을 수납한 실시 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 배터리 팩(10)에 포함되는 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)와 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)는 주요 구성이 실질적으로 동일하므로, 상기 주요 구성에 대해서 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)에 대한 설명으로 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)에 대한 설명을 대체한다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)는, 복수의 전지셀(110)들, 셀 프레임(120), 버스바 플레이트(130) 및 센싱 유닛(140)을 포함한다.
상기 복수의 전지셀(110)들은, 전술한 바와 같이 전지 캔의 상단부에 탑 캡(112)이 결합된 원통형 이차전지들이고 전지 캔의 상단부 즉 탑 캡(112) 쪽이 모두 같은 방향을 향하도록 셀 프레임(120)에 수용된다. 상기 전지셀(110)들은 각각 셀 프레임(120) 내부의 셀 홀더(121a)들에 전지 캔의 상단부가 부분적으로 끼워져 홀딩된 상태로 상기 셀 프레임(120) 내부에 기립 배치될 수 있다.
상기 셀 프레임(120)은, 내부에 상기 복수의 전지셀(110)들을 세워서 수납할 수 있는 하나의 사각 박스 형상으로 마련된다. 이러한 본 발명에 따른 셀 프레임(120)은, 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이 상부 파트(a1)와 하부 파트(a2)로 나누어져 있는 종래 기술에 따른 셀 프레임에 비해, 제조비가 적게 들고 셀 모듈 어셈블리(100)의 조립 공정을 단순화하는데 유리한 효과가 있다.
도 7과 도 8을 함께 참조하여 살펴보면, 상기 셀 프레임(120)은 복수의 원통형 전지셀(110)들을 세워서 수납할 수 있는 공간을 형성하는 수용부(121), 상기 전지 캔의 상단부 방향에 위치하는 상판부(122), 상기 전지 캔의 하단부 방향에 위치하는 개방부(123), 4면의 벽체를 형성하는 측면부(124)를 포함한다.
상기 수용부(121)는 상기 상판부(122)와 측면부(124)로 둘러싸인 셀 프레임(120)의 내부 공간을 의미하며, 상기 전지셀(110)들의 길이(또는 높이)에 대응하는 높이를 갖도록 구성될 수 있다. 다시 말하면 본 실시예의 셀 프레임(120)은 4면의 측면부(124)가 원통형 전지셀(110)의 길이만큼 연장 형성된 형태로 마련된다. 따라서 상기 셀 프레임(120)은 상기 셀 프레임의 개방부(123)와 상기 셀 프레임의 상판부(122) 사이 거리가 상기 원통형 전지셀들의 길이에 대응될 수 있다.
상기 셀 프레임의 상판부(122)는, 도 9와 같이, 전지셀(110)들을 탑 캡(112)이 아래로 가도록 세웠을 때 상기 탑 캡(112)의 아래에서 상기 전지셀(110)들을 지지하는 셀 프레임(120)의 일측 판면을 의미하고, 단자 연결홀(122a)들을 구비한다. 상기 단자 연결홀(122a)들은 모든 전지셀(110)들의 전지 캔의 상단부가 상기 셀 프레임의 상판부(122) 외측으로 부분 노출되도록 구성될 수 있다. 이러한 단자 연결홀(122a)들을 통해 모든 전지셀(110)들은 상기 셀 프레임(120)의 내부에 수용된 때, 각 전지셀(110)의 탑 캡(112)과 전지 캔의 상단 테두리(111a)가 상기 셀 프레임의 상판부(122) 외측에 부분 노출될 수 있다.
원통형 전지셀(110)의 경우, 내부에서 전극 조립체와 연결된 양극탭이 탑 캡(112)과 연결되고 음극탭은 전지 캔에 연결되어 있어 상기 탑 캡(112)이 전지셀(110)의 양극 단자로 기능하고 전지 캔이 음극 단자로 기능한다. (참고로, 원통형 전지셀은 전지 캔을 절연시트로 감싸서 전지 캔의 바닥면 및/또는 상단 테두리만 음극 단자로 기능하도록 할 수도 있다. 이러한 원통형 전지셀(110)들은 상기 각 전지셀(110)의 탑 캡(112) 또는 전지 캔의 상단 테두리(111a)가 상기 셀 프레임의 상판부(122)의 외측면에 배치되는 버스바 플레이트(130)들과 미리 정해진 패턴대로 연결됨으로써 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다. 상기 전지셀(110)들의 전기적 연결 구성에 대한 더 자세한 설명은 후술하기로 한다.
상기 셀 프레임의 개방부(123)는 상기 셀 프레임의 상판부(122)의 반대편에 위치하며, 도 8과 같이, 외곽 테두리부만 남고 상기 외곽 테두리부 안쪽은 개방된 형태로 마련된다. 이러한 셀 프레임(120)은, 원통형 전지셀(110)을 삽입하는 조립 공정시, 셀 프레임(120)의 개방부(123)가 상부 방향을 향하도록 하고 셀 삽입 지그(미도시)를 이용해 원통형 전지셀(110)들을 일체로 상기 셀 프레임(120)의 내부에 삽입시킬 수 있다.
이때 도 9와 같이, 전지 캔의 바닥면(111b)이 상기 셀 프레임의 개방부(123)를 향하도록 모든 원통형 전지셀(110)들을 상기 셀 프레임(120)에 삽입하면 모든 전지셀(110)들의 바닥면(111b)이 상기 개방부(123)를 통해 상기 셀 프레임(120)의 외부로 노출될 수 있다. 이처럼 전지셀(110)들을 셀 프레임에 수납할 경우, 전지 캔의 바닥면(111b) 쪽으로 전지셀(110)들의 열을 방열시키기 용이한 이점이 있다.
한편, 셀 프레임(120)은 내부에 전지셀(110)들을 고정하기 위한 셀 홀더(121a)를 구비한다. 상기 셀 홀더(121a)는 전지 캔의 상단부 둘레의 적어도 일부분을 에워싸는 구조로 형성될 수 있다.
구체적으로, 도 8을 참조하면, 상기 셀 홀더(121a)는 상기 셀 프레임(120)의 상판부(122)에서 개방부(123)를 향해 돌출되고 전지 캔의 상단부 둘레를 소정 높이까지 둘러싸는 형태로 구성될 수 있다. 또한, 상기 셀 홀더(121a)는 그 높이 내지 깊이가 상기 원통형 전지셀(110)의 중간 높이보다 낮게 형성될 수 있다.
이러한 셀 홀더(121a)들 마다 원통형 전지셀(110)들이 끼움 결합됨으로써 상기 원통형 전지셀(110)들이, 도 9와 같이, 정해진 위치에 기립되고 홀딩된 상태로 셀 프레임(120)에 수납될 수 있다.
이렇게 원통형 전지셀(110)들을 상기 셀 프레임(120)의 수용부(121)에 수납하게 되면 상기 원통형 전지셀(110)들은, 도 10에 'G'로 표시한 바와 같이, 원통형 전지셀(110)들 사이에 소정의 갭들이 형성될 수 있다.
기본적으로 원통형 전지셀(110)은 셀 홀더(121a)에 끼워져 홀딩되지만, 예컨대 원통형 전지셀(110)의 외경이 정상보다 작거나 셀 홀더(121a)의 내경이 정상보다 클 경우, 도 11의 boundary #1과 같이, 인접한 2개의 원통형 전지셀(110)들에 (손가락으로) 힘을 가하면 전지셀들이 유동하여 (힘을 주지 않은 때의) 초기 갭에 비해 'G1'과 같이 갭이 좁혀질 수 있다. 반면, 원통형 전지셀(110)의 외경과 셀 홀더(121a)의 내경이 모두 정상 치수이거 원통형 전지셀(110)의 외경이 셀 홀더(121a)의 내경보다 크지만 원통형 전지셀(110)을 상기 셀 홀더(121a)에 억지끼움 결합할 수 있는 정도일 경우, 도 11의 boundary #2와 같이, 인접한 2개의 원통형 전지셀(110)들에 (손가락으로) 힘을 가하더라도 전지셀(110)들이 기울어지더라도 갭이 'G2'와 같이 거의 좁혀지지 않거나 유동하지 않을 수 있다.
그런데 셀 모듈 어셈블리(100)에 포함되는 전지셀(110)들은 치수가 조금 상이하고, 특히 도 11의 boundary #1에 해당하는 전지셀들의 경우 외력(충격 or 진동)이 작용하면 유동성이 커지고 이로인해 전기적 연결 부위의 단선을 촉발하거나 쇼트 우려가 커질 수 있다.
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부연하면, [표 1]과 같이, 원통형 전지셀과 셀 프레임은 제작시 치수 공차가 존재할 수 있으며, 원통형 전지셀의 경우 그 외경이 21.00mm ~ 21.15mm 일 수 있고 셀 프레임(120)의 셀 홀더(121a)의 경우 그 내경이 21.00mm ~ 21.20mm 일 수 있다.
상기 [표 1]의 2열에 나타낸 바와 같이, 원통형 전지셀(110)의 외경과 셀 홀더(121a)의 내경이 중심치 값을 갖는다면, 원통형 전지셀(110)은 셀 홀더(121a)에 수월하게 삽입될 수 있으며 기울어지더라도 원통형 전지셀(110)들 간의 갭은 1.0mm 확보될 수 있다. 표 1의 3열에 나타낸 바와 같이, 원통형 전지셀(110)의 외경이 최대치의 값이고 셀 홀더(121a)의 내경은 최소치 값을 갖는다면, 원통형 전지셀(110)은 셀 홀더(121a)에 억지 끼움되어 움직이지 않게 되고 원통형 전지셀(110)들 간의 갭은 1.2mm 확보될 수 있다. 마지막으로 표 1의 4열에 나타낸 바와 같이, 원통형 전지셀(110)의 외경이 최소치 값이고 셀 홀더(121a)의 내경은 최대치 값을 갖는다면 원통형 전지셀(110)이 셀 홀더(121a)에 가장 헐렁하게 끼워져 작은 외부 충격에도 유동 가능성이 높아지게 되고, 이 때문 전지셀(110)들이 기울어질 경우 원통형 전지셀(110)간의 갭이 0.4mm 까지 좁혀질 수 있다.
따라서, 표 1의 4열의 치수를 갖는 원통형 전지셀(110)과 셀 홀더(121a)를 포함한 셀 모듈 어셈블리(100)는 외부 충격이나 진동시 원통형 전지셀(110)들이 유동하여 기울어질 수 있고, 이 결과 전기적 연결부위(전지 캔의 상단부 쪽)에서 금속 와이어(W)의 단선 내지 쇼트 우려가 커진다.
이에 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)는, 도 12 내지 도 13에 도시한 바와 같이, 셀 스페이서(150)를 포함한다. 상기 셀 스페이서(150)는 전지 캔의 하단부 둘레의 전부 또는 일부를 감싸며 상기 셀 프레임(120)의 개방부(123)에 결합되어 상기 전지셀(110)들의 유동을 방지하고 간격을 일정하게 유지하기 위해 적용된 구성요소이다.
상기 셀 스페이서(150)는, 절연성 소재로 판상체 형태로 마련될 수 있으며, 전지 캔의 하단부 둘레를 감싸는 복수 개의 스페이서 홀(151)들과, 셀 프레임(120)의 개방부(123)의 외곽 테두리부에 스냅-핏 결합되는 스페이서 테두리부를 포함한다.
상기 스페이서 홀(151)은 전지 캔의 지름에 대응하는 직경을 가지며 상기 전지 캔의 하단부 둘레를 감싸도록 형성될 수 있다. 바람직하게는 상기 스페이서 홀(151)은 치수 (허용)공차 범위 내에서 원통형 전지셀(110)의 외경이 최대치인 전지셀(110)에 대응하는 직경을 갖도록 마련될 수 있다. 즉, 본 실시예의 경우 상기 스페이서 홀(151)은 전지 캔의 외경이 21.15mm 인 전지셀(110)의 전지 캔의 하단부 둘레를 감쌀 수 있는 직경을 갖도록 마련될 수 있다.
상기 스페이서 테두리부는 도 12의 실시 구성과 같이, 제1 테두리부(155a), 제2 테두리부(155b), 제3 테두리부(155c), 제4 테두리부(155d)를 포함하고, 셀 프레임(120)의 개방부(123)의 외곽 테두리부에 끼워 맞춤될 수 있게 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 셀 모듈 어셈블리(100)는 (도 9 참조) 전지셀(110)들이 전지 캔의 상단부가 셀 홀더(121a)에 삽입되어 정해진 위치에 홀딩된 상태로 전지 캔의 바닥면(111b)이 셀 프레임의 개방부(123)를 향하도록 기립 배치된다. 셀 스페이서(150)는 상기 전지셀(110)들의 하단부에 장착된다. 이때 전지셀(110)들은 전지 캔의 하단부가 부분적으로 상기 스페이서 홀(151)에 삽입되어 홀딩되고 전지 캔의 바닥면(111b)은 외부로 노출될 수 있다.
또한, 상기 셀 스페이서(150)는 테두리 영역에 아크형 홀(153)들을 더 포함하고, 상기 아크형 홀(153)들은 셀 프레임(120)에서 외곽에 배치된 원통형 전지셀(110)의 하단부 둘레를 부분적으로 감싸서 상기 외곽에 배치된 원통형 전지셀(110)들의 움직임을 저지하도록 구성될 수 있다.
그리고 도 13의 실시 구성과 같이, 제1 테두리부(155a)는 셀 프레임의 개방부(123)의 좌측편 개방단에 끼워 맞춤되고 제2 테두리부(155b)는 셀 프레임의 개방부(123)의 우측편 개방단에 끼워 맞춤되어 상기 셀 프레임(120)에 고정될 수 있다. 이때 제3 테두리부(155c)는 셀 프레임의 +Z 방향 최외곽에 배치된 전지셀의 하단부와 접촉하게 배치되어 상기 +Z방향 최외곽 전지셀(110)이 -Z방향으로 움직이지 않게 하고, 제4 테두리부(155d)는 셀 프레임(120)의 -Z 방향 최외곽에 배치된 전지셀(110)의 하단부와 접촉하게 배치되어 상기 -Z방향 최외곽 전지셀(110)이 +Z방향으로 움직이지 않게 한다.
이어서 도 14를 참조하여, 상기 셀 프레임(120)과 셀 스페이서(150)의 조립 구조를 더 자세히 보면, 상기 셀 프레임의 개방부(123)의 외곽 테두리부는 상기 전지 캔의 바닥면(111b)과 수평한 면을 이루는 제1 외곽 테두리부(123a)와, 상기 셀 스페이서(150)의 두께(T1)만큼 상기 제1 외곽 테두리부(123a)보다 낮게 단차를 형성하는 제2 외곽 테두리부(123b)를 포함한다. 상기 제1 외곽 테두리부(123a)의 상면과 상기 제2 외곽 테두리부(123b)의 상면은 높이 차이가 도 14의 'T2'라고 하면, 상기 T2는 셀 스페이서(150)의 두께(T1)와 거의 동일할 수 있다.
상기 셀 스페이서(150)는 스페이서 홀(151)이 전지 캔의 바닥면(111b) 아래쪽에 위치한 'P1'으로 표시한 전지 캔의 하단부 둘레를 둘러싸고, 상기 제 1 테두리부(155a)의 끝단과 상기 제2 테두리부(155b)의 끝단이 각각 대향하는 상기 셀 프레임(120)의 외곽 테두리부의 단차면에 접촉하도록 상기 셀 프레임(120)의 개방부(123)에 끼움 맞춤될 수 있다. 그리고 상기 제1 테두리부(155a)의 하면 일부는 상기 셀 프레임(120)의 개방부(123)의 좌측편 제2 외곽 테두리부(123b) 상에 안착되고, 상기 제2 테두리부(155b)의 하면 일부는 셀 프레임(120)의 개방부(123)의 우측편 제2 외곽 테두리부(123b) 상에 안착될 수 있다.
상기와 같이, 셀 스페이서(150)가 셀 프레임의 개방부(123)에 적용됨에 따라, 전지셀(110)들은 전지 캔의 상단부가 셀 홀더(121a)에 끼워져 홀딩될 뿐만 아니라, 전지 캔의 하단부도 상기 셀 스페이서(150)에 의해 홀딩된다. 따라서 외부 충격이나 진동이 셀 모듈 어셈블리(100)에 가해지더라도 전지셀(110)들의 유동이 억제될 수 있어 셀 모듈 어셈블리(100)의 전기적 안정성과 내구성이 증대될 수 있다.
도 15는 도 14에서 전지 캔의 바닥면에 배치되는 열전달 부재를 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)는, 스크린 플레이트(160)와 방열 패드(170)를 더 포함할 수 있다.
상기 스크린 플레이트(160)는 전지셀(110)들의 하단부를 지지하며 전지셀(110)들의 열 흡수를 촉진시키기 위한 구성으로서, 상기 셀 스페이서(150)와 상기 전지 캔의 바닥면(111b)을 커버하며 상기 셀 프레임(120)에 결합될 수 있다. 이러한 스크린 플레이트(160)는 열전도성이 우수한 소재로서 예컨대 알루미늄(Al)으로 형성된 금속 판상체일 수 있다.
상기 스크린 플레이트(160)와 전지 캔의 바닥면(111b)은 상호 간 접착 고정될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 상기 스크린 플레이트(160)와 전지셀(110)들의 접촉성과 열전도성이 증대될 수 있다. 참고로, 상기 스크린 플레이트(160) 및/또는 전지 캔의 바닥면(111b)은 절연 필름 내지 절연 코팅에 의해 전기적으로 절연될 수 있다.
그리고 상기 방열 패드(170)는 일면이 상기 스크린 플레이트(160)에 접촉하게 배치될 수 있다. 상기 방열 패드(170)는 열전도성이 우수한 압축성 소재로 마련될 수 있다.
셀 모듈 어셈블리(100)는 상기와 같이, 스크린 플레이트(160)와 방열 패드(170)를 셀 프레임(120)의 개방부(123) 측에 구비함으로써, 팩 케이스(300)에 삽입시 도 6과 같이, 상기 방열 패드(160)가 미들 케이스(310)와 접촉하도록 구성될 수 있다. 따라서 상기 셀 모듈 어셈블리(100)는 전지셀(110)들에서 발생한 열이 전지 캔의 바닥면(111b)에서 상기 스크린 플레이트(160)와 방열 패드(170)를 통해 미들 케이스(310)로 효과적으로 빠져나갈 수 있어 방열 성능이 증대될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 프레임의 상판부를 바라본 도면이고, 도 17는 도 16의 셀 프레임의 상판부 및 측면부 일부분을 도시한 도면이며, 도 18는 도 17의 셀 프레임의 상판부 및 측면부를 다른 각도에서 바라본 도면이다.
이어서 상기 도 16 내지 도 18을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)에서 상기 셀 프레임의 상판부(122) 및 측면부(124) 쪽에 구비되는 전지셀(110)들의 전기적 연결 구성과, 전압/온도 센싱 구성에 대해 살펴보기로 한다.
도 16에 도시된 바와 같이, 복수의 버스바 플레이트(130)들은, 셀 프레임(120)의 외측 일면, 다시 말하면, 셀 프레임의 상판부(122)에 배치될 수 있다. 이를테면, 도 16에서 +Z 방향 끝에 양극 버스바 플레이트(130+)가 배치되고, -Z 방향 끝에 음극 버스바 플레이트(130-)가 배치되며, 상기 양극 버스바 플레이트(130+)와 상기 음극 버스바 플레이트(130-) 사이에 ±Z 방향으로 소정 간격마다 버스바 플레이트(130)들이 배치될 수 있다. 또한, 상기 버스바 플레이트(130)들은 셀 프레임의 상판부(122)에 형성되어 있는 단자 연결홀(122a)들의 위치 또는 돌기(122f)들의 위치를 회피하기 위해 직선 또는 지그 재그 형태로 ±Y 방향으로 연장된 형태로 마련될 수 있다. 상기 복수의 버스바 플레이트(130)들은 단자 연결홀(122a)들을 통해 노출되는 상기 전지셀(110)들의 탑 캡(112) 또는 상기 전지 캔의 상단 테두리(111a)와 와이어 본딩되어 상기 전지셀(110)들을 전기적으로 연결시키는 역할을 한다. 여기서 와이어 본딩은 금속 와이어(W)의 양단부를 각각 접합 대상물에 초음파로 압착한 것을 의미한다. 다만, 와이어 본딩에는 반드시 초음파가 아니라도 다른 접합 기술, 예컨대 레이저 용접이 적용될 수도 있다.
구체적으로, 도 9에서 'C1'으로 표시한 6개의 전지셀(110)들은, 도 16에 도시된 바와 같이, 탑 캡(112)이 상기 양극 버스바 플레이트(130+)에 와이어 본딩되고, 전지 캔의 상단 테두리(111a)는 상기 양극 버스바 플레이트(130+)와 -Z 방향으로 이웃한 2번째 버스바 플레이트(130)에 와이어 본딩된다. 그리고 도 9에서 'C2'로 표시한 6개의 전지셀(110)들은, 탑 캡(112)이 상기 두번째 버스바 플레이트(130)에 와이어 본딩되고, 전지 캔의 상단 테두리(111a)는 -Z방향으로 3번째 버스바 플레이트(130)에 와이어 본딩된다. 이 같은 패턴으로 전지셀(110)들의 탑 캡(112) 또는 전지 캔의 상단 테두리(111a)를 대응하는 버스바 플레이트(130)들에 와이어 본딩하며, 마지막으로 도 9에서 'C7'로 표시한 마지막 6개의 전지셀(110)들의 전지 캔의 상단 테두리(111a)를 음극 버스바 플레이트(130-)에 와이어 본딩하면, 셀 모듈 어셈블리(100)에 포함된 전지셀(110)들은 7S6P 형태로 직렬 및 병렬 연결될 수 있다. 그리고 상기 양극 버스바 플레이트(130+)는 상기 셀 모듈 어셈블리(100)의 양극 터미널로 기능하고 상기 음극 버스바 플레이트(130-)는 상기 셀 모듈 어셈블리(100)의 음극 터미널로 기능할 수 있다.
도 17 내지 도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 유닛(140)은 인쇄회로기판(141), 복수의 센싱 플레이트(142), 온도 센싱부재(143)를 포함한다. 그리고 상기 센싱 유닛(140)은 전지셀(110)들에 대한 전기적 연결이 전술한 바와 같이 구성된 상기 셀 프레임의 상판부(122)와 교차하는 셀 프레임(120)의 외측 타면에 배치되고 버스바 플레이트(130)들과 와이어 본딩으로 전기적으로 연결되어 전지셀(110)들의 전압 정보를 센싱한다.
상기 인쇄회로기판(141)으로는 경성 인쇄회로기판(141)과 연성 인쇄회로기판(141)이 채용될 수 있다. 본 실시예의 셀 모듈 어셈블리(100)는 내구성 강화를 위해 경성 인쇄회로기판(141)을 포함하고, 상기 인쇄회로기판(141)은 전지셀(110)들의 전압 정보 또는 온도 정보를 전송하기 위한 회로 패턴을 구비한다. 또한, 상기 인쇄회로기판(141)은 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 착탈 가능하게 구성될 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 도 17 내지 도 18의 실시 구성과 같이, 인쇄회로기판(141)은 버스바 플레이트(130)들이 배치된 셀 프레임의 상판부(122)와 교차하는 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 배치될 수 있다. 이때 상기 인쇄회로기판(141)은 판면이 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 대면하고 상기 인쇄회로기판(141)의 상단 모서리가 상기 셀 프레임의 상판부(122)와 동일 높이에 위치하도록 구성될 수 있다.
이처럼 인쇄회로기판(141)이 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 배치될 수 있게, 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)는 상기 인쇄회로기판(141)을 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)와 나란하게 소정 깊이까지 끼워넣을 수 있고 상기 인쇄회로기판(141)의 판면이 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 밀착되게 상기 인쇄회로기판(141)을 지지하는 기판 거치홀더(127)를 포함한다.
상기 기판 거치홀더(127)는 셀 프레임(120)의 길이 방향(Z 방향)을 따라 소정 간격마다 구비되며, 상기 인쇄회로기판(141)에서 온도 센싱부재(143)나 케이블 커넥터(146)와 간섭되지 않게 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 마련될 수 있다.
상기 복수의 센싱 플레이트(142)들은 전지셀(110)들의 각 뱅크(병렬 연결된 전지셀(110)들) 별 전압을 센싱하기 위해 상기 버스바 플레이트(130)들과 와이어 본딩으로 연결되는 구성요소이다. 상기 복수의 센싱 플레이트(142)들은, 상기 버스바 플레이트(130)들과 일대일 대응하는 개수로 구비되고 각각 대응하는 상기 버스바 플레이트(130)들과 와이어 본딩으로 연결될 수 있다. 상기 센싱 플레이트(142)들은 니켈(nickel), 구리(Cu), 은(Ag) 등 전기 전도성을 갖는 금속으로 제작될 수도 있다.
상기 복수의 센싱 플레이트(142)들은, 적어도 1회 절곡된 구조로 마련되어 일측은 상기 인쇄회로기판(141)에 고정 결합되고 타측은 상기 버스바 플레이트(130)들이 배치된 상기 셀 프레임(120)의 상판부(122)의 표면에 나란하게 배치될 수 있다.
이를테면, 상기 복수의 센싱 플레이트(142)들은 전기 전도성 금속 소재이고 대략 'ㄱ' 자 내지 'L' 자 형상으로 마련되고, 도 19 내지 도 20의 실시 구성과 같이 인쇄회로기판(141)에 결합될 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 센싱 플레이트(142)는 인쇄회로기판(141)의 판면과 대면하는 기판 연결부(142a)와 상기 기판 연결부(142a)에서 절곡 연장되어 상기 셀 프레임(120)의 외측 일면 가장자리에 대면하게 배치시킬 수 있는 프레임 안착부(142b)를 포함한다. 이러한 구성에 의하면, 도 18와 같이, 인쇄회로기판(141)을 상기 셀 프레임의 측면부(124)에 나란하게 기판 거치홀더(127)에 꽂아 넣으면 센싱 플레이트(142)들의 프레임 안착부(142b)가 상기 셀 프레임의 상판부(122) 가장자리에 대면하게 배치될 수 있다.
또한, 도 16 내지 도 18을 참조하면, 상기 센싱 플레이트(142)들의 프레임 안착부(142b)는 상기 버스바 플레이트(130)들의 일단부와 서로 교번적으로 상기 셀 프레임(120)의 가장자리에 배치될 수 있다. 상기 구성에 의하면, 셀 프레임의 상판부(122)에서 가장자리 안쪽 영역에 넓게 분포한 버스바 플레이트(130)들과 전지셀(110)들을 연결한 와이어 본딩 영역과 간섭되지 않으면서 대응하는 버스바 플레이트(130)의 일단부에 바로 이웃하게 배치할 수 있어 길이가 짧은 금속 와이어(W)로도 얼마든지 센싱 플레이트(142)와 버스바 플레이트(130)를 연결할 수 있다. 또한, 상기 버스바 플레이트(130)와 상기 센싱 플레이트(142)는 2가닥의 금속 와이어(W)로 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 금속 와이어(W) 2가닥 중 하나가 단선되어도 전압 센싱이 가능해져 전압 센싱 신뢰성과 내구성이 증대될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지셀(110)과 버스바 플레이트(130) 또는 센싱 플레이트(142)와 버스바 플레이트(130)를 연결하는 금속 와이어(W)는 지름이 0.12mm~0.8mm 이고, 길이가 5mm~10mm 이고 알루미늄 소재로 마련될 수 있다. 상기와 같은 구성에 의하면, 금속 와이어(W)가 배터리 팩(10)의 외부 단락시 퓨즈로서 동작 가능하다. 예컨대, 본 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)는 금속 와이어(W)가 상기와 같이 구성되어 있어 예컨대 47.4A 이상의 전류가 흐를 시 적어도 한 뱅크의 전지셀(110)들의 금속 와이어(W)가 모두 끊어져 셀 모듈 어셈블리(100)에 전류의 흐름이 차단될 수 있다. 한편, 본 발명의 권리범위가 상기 금속 와이어(W)의 지름, 길이, 소재로 제한되는 것은 아님을 밟혀둔다. 상기 금속 와이어(W)는 필요에 따라 지름과 길이가 적절히 선택될 수 있고 그 소재도 구리, 니켈 등과 같은 금속으로 제작될 수도 있다.
한편, 도 19와 같이, 온도 센싱부재(143)는 길이가 다른 2개의 온도 센싱부재(143A,143B)를 포함한다. 상기 2개의 온도 센싱부재(143A,143B) 중 상대적으로 길이가 긴 온도 센싱부재(143)는 셀 모듈 어셈블리(100)의 중심 온도 측정에 사용되는 제1 온도 센싱부재(143A)이고, 상대적으로 길이 짧은 온도 센서는 셀 모듈 어셈블리(100)의 외곽 온도 측정에 사용되는 제2 온도 센싱부재(143B)이다.
상기 제1 온도 센싱부재(143A)는 상기 인쇄회로기판(141)에서 소정 길이만큼 연장되는 제1 케이블(144a)과 상기 제1 케이블(144a)의 말단에 결합되는 제1 써미스터(144b)를 포함한다. 상기 제2 온도 센싱부재(143B)는 상기 인쇄회로기판(141)에서 소정 길이만큼 연장되는 제2 케이블(145a)과 상기 제2 케이블(145a)의 말단에 결합되는 제2 써미스터(145b)를 구비한다. 상기 제1 케이블(144a)이 상기 제2 케이블(145a)보다 길고, 상기 제1 케이블(144a)과 상기 제2 케이블(145a)은 서로 반대 방향으로 연장되게 배치된다.
배터리 팩(10)은 충방전시 전지셀(110)들에서 발생하는 열을 정확히 감지하고 그에 따라 충방전을 관리하거나 냉각시킬 필요가 있다. 그렇지 못하면 전지셀(110)들의 퇴화 속도가 빨라지고 성능이 저하된다.
도 13에 도시된 바와 같이, 복수의 버스바 플레이트(130)들은, 셀 프레임(120)의 외측 일면, 다시 말하면, 셀 프레임의 상판부(122)에 배치될 수 있다. 이를테면, 도 13에서 +Z 방향 끝에 양극 버스바 플레이트(130+)가 배치되고, -Z 방향 끝에 음극 버스바 플레이트(130-)가 배치되며, 상기 양극 버스바 플레이트(130+)와 상기 음극 버스바 플레이트(130-) 사이에 ±Z 방향으로 소정 간격마다 버스바 플레이트(130)들이 배치될 수 있다. 또한, 상기 버스바 플레이트(130)들은 셀 프레임의 상판부(122)에 형성되어 있는 단자 연결홀(122a)들의 위치 또는 돌기(122f)들의 위치를 회피하기 위해 직선 또는 지그 재그 형태로 ±Y 방향으로 연장된 형태로 마련될 수 있다. 이러한 복수의 버스바 플레이트(130)들은 단자 연결홀(122a)들을 통해 노출되는 상기 전지셀(110)들의 탑 캡(112) 또는 상기 전지 캔의 상단 테두리(111a)와 와이어 본딩되어 전지셀(110)들을 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 여기서 와이어 본딩은 금속 와이어(W)의 양단부를 각각 접합 대상물에 초음파로 압착한 것을 의미한다. 다만, 와이어 본딩에는 반드시 초음파가 아니라도 다른 접합 기술, 예컨대 레이저 용접이 적용될 수도 있다.
구체적으로, 도 11에서 'C1'으로 표시된 6개의 전지셀(110)들은, 도 13에 도시된 바와 같이, 탑 캡(112)이 상기 양극 버스바 플레이트(130+)에 와이어 본딩되어 전기적으로 연결되고, 전지 캔의 상단 테두리(111a)가 상기 양극 버스바 플레이트(130+)와 -Z 방향으로 이웃한 2번째 버스바 플레이트(130)에 와이어 본딩되어 전기적으로 연결된다. 그리고 도 11에서 'C2'로 표시된 6개의 전지셀(110)들은, 탑 캡(112)이 상기 두번째 버스바 플레이트(130)에 와이어 본딩되어 전기적으로 연결되고, 전지 캔의 상단 테두리(111a)는 -Z방향으로 3번째 버스바 플레이트(130)에 연결된다. 이 같은 패턴으로 전지셀(110)들의 탑 캡(112) 또는 전지 캔의 상단 테두리(111a)를 대응하는 버스바 플레이트(130)들에 와이어 본딩하며, 마지막으로 도 11에서 'C7'로 표시된 마지막 6개의 전지셀(110)들의 전지 캔의 상단 테두리(111a)를 음극 버스바 플레이트(130-)에 와이어 본딩하면, 셀 모듈 어셈블리(100)에 포함된 전지셀(110)들은 7S6P 형태로 직렬 및 병렬 연결될 수 있다. 그리고 상기 양극 버스바 플레이트(130+)는 상기 셀 모듈 어셈블리(100)의 양극 터미널로 기능하고 상기 음극 버스바 플레이트(130-)는 상기 셀 모듈 어셈블리(100)의 음극 터미널로 기능할 수 있다.
도 14 내지 도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 유닛(140)은 인쇄회로기판(141), 복수의 센싱 플레이트(142), 온도 센싱부재(143)를 포함한다. 그리고 상기 센싱 유닛(140)은 전지셀(110)들에 대한 전기적 연결이 전술한 바와 같이 구성된 상기 셀 프레임의 상판부(122)와 교차하는 셀 프레임(120)의 외측 타면에 배치되고 버스바 플레이트(130)들과 와이어 본딩으로 전기적으로 연결되어 전지셀(110)들의 전압 정보를 센싱한다.
상기 인쇄회로기판(141)으로는 경성 인쇄회로기판(141)과 연성 인쇄회로기판(141)이 채용될 수 있다. 본 실시예의 셀 모듈 어셈블리(100)는 내구성 강화를 위해 경성 인쇄회로기판(141)을 채용하였다. 상기 인쇄회로기판(141)은 전지셀(110)들의 전압 정보 또는 온도 정보를 전송하기 위한 회로 패턴을 구비한다. 또한, 상기 인쇄회로기판(141)은 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 착탈 가능하게 구성될 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 도 14 내지 도 15의 실시 구성과 같이, 인쇄회로기판(141)은 버스바 플레이트(130)들이 배치된 셀 프레임의 상판부(122)와 교차하는 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 배치될 수 있다. 이때 상기 인쇄회로기판(141)은 판면이 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 대면하고 상기 인쇄회로기판(141)의 상단 모서리가 상기 셀 프레임의 상판부(122)와 동일 높이에 위치하도록 구성될 수 있다.
이처럼 인쇄회로기판(141)이 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 배치될 수 있게, 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)는 상기 인쇄회로기판(141)을 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)와 나란하게 소정 깊이까지 끼워넣을 수 있고 상기 인쇄회로기판(141)의 판면이 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 밀착되게 상기 인쇄회로기판(141)을 지지하는 기판 거치홀더(127)를 포함한다.
상기 기판 거치홀더(127)는 셀 프레임(120)의 길이 방향(Z 방향)을 따라 소정 간격마다 구비되며, 상기 인쇄회로기판(141)에서 온도 센싱부재(143)나 케이블 커넥터(146)와 간섭되지 않게 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)에 마련될 수 있다.
상기 복수의 센싱 플레이트(142)들은 전지셀(110)들의 각 뱅크(병렬 연결된 전지셀(110)들) 별 전압을 센싱하기 위해 상기 버스바 플레이트(130)들과 와이어 본딩으로 연결되는 구성요소이다. 상기 복수의 센싱 플레이트(142)들은, 상기 버스바 플레이트(130)들과 일대일 대응하는 개수로 구비되고 각각 대응하는 상기 버스바 플레이트(130)들과 와이어 본딩으로 연결될 수 있다. 상기 센싱 플레이트(142)들은 니켈(nickel), 구리(Cu), 은(Ag) 등 전기 전도성을 갖는 금속으로 제작될 수도 있다.
상기 복수의 센싱 플레이트(142)들은, 적어도 1회 이상 절곡된 구조로 마련되어 일측은 상기 인쇄회로기판(141)에 고정 결합되고 타측은 상기 버스바 플레이트(130)들이 배치된 상기 셀 프레임(120)의 상판부(122)의 표면에 나란하게 배치될 수 있다.
이를테면, 상기 복수의 센싱 플레이트(142)들은 전기 전도성 금속 소재이고 대략 'ㄱ' 자 내지 'L' 자 형상으로 마련되고, 도 16 내지 도 17의 실시 구성과 같이 인쇄회로기판(141)에 결합될 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 센싱 플레이트(142)는 인쇄회로기판(141)의 판면과 대면하는 기판 연결부(142a)와 상기 기판 연결부(142a)에서 절곡 연장되어 상기 셀 프레임(120)의 외측 일면 가장자리에 대면하게 배치시킬 수 있는 프레임 안착부(142b)를 포함한다. 이러한 구성에 의하면, 도 15와 같이, 인쇄회로기판(141)을 상기 셀 프레임의 측면부(124)에 나란하게 기판 거치홀더(127)에 꽂아 넣으면 센싱 플레이트(142)들의 프레임 안착부(142b)가 상기 셀 프레임의 상판부(122) 가장자리에 대면하게 배치될 수 있다.
도 13 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 센싱 플레이트(142)들의 프레임 안착부(142b)는 상기 버스바 플레이트(130)들의 일단부와 서로 교번적으로 상기 셀 프레임(120)의 가장자리에 배치될 수 있다. 상기 구성에 의하면, 셀 프레임의 상판부(122)에서 가장자리 안쪽 영역에 넓게 분포한 버스바 플레이트(130)들과 전지셀(110)들을 연결한 와이어 본딩 영역과 간섭되지 않으면서 대응하는 버스바 플레이트(130)의 일단부에 바로 이웃하게 배치할 수 있어 길이가 짧은 금속 와이어(W)로도 얼마든지 센싱 플레이트(142)와 버스바 플레이트(130)를 연결할 수 있다. 또한, 상기 버스바 플레이트(130)와 상기 센싱 플레이트(142)는 2가닥의 금속 와이어(W)로 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 금속 와이어(W) 2가닥 중 하나가 단선되어도 전압 센싱이 가능해져 전압 센싱 신뢰성과 내구성이 증대될 수 있다.
본 실시예에 따른 전지셀(110)과 버스바 플레이트(130) 또는 센싱 플레이트(142)와 버스바 플레이트(130)를 연결하는 금속 와이어(W)는 지름이 0.12mm~0.8mm 이고, 길이가 5mm~10mm 이고 알루미늄 소재로 마련될 수 있다. 상기와 같은 구성에 의하면, 금속 와이어(W)가 배터리 팩(10)의 외부 단락시 퓨즈로서 동작 가능하다. 예컨대, 본 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)는 금속 와이어(W)가 상기와 같이 구성되어 있어 예컨대 47.4A 이상의 전류가 흐를 시 적어도 한 뱅크의 전지셀(110)들의 금속 와이어(W)가 모두 끊어져 셀 모듈 어셈블리(100)에 전류의 흐름이 차단될 수 있다. 한편, 본 발명의 권리범위가 상기 금속 와이어(W)의 지름, 길이, 소재로 제한되는 것은 아님을 밟혀둔다. 상기 금속 와이어(W)는 필요에 따라 지름과 길이가 적절히 선택될 수 있고 그 소재도 구리, 니켈 등과 같은 금속으로 제작될 수도 있다.
한편, 도 16과 같이, 온도 센싱부재(143)는 길이가 다른 2개의 온도 센싱부재(143)를 포함한다. 상기 2개의 온도 센싱부재(143) 중 상대적으로 길이가 긴 온도 센싱부재(143)는 셀 모듈 어셈블리(100)의 중심 온도 측정에 사용되는 제1 온도 센싱부재(143A)이고, 상대적으로 길이 짧은 온도 센서는 셀 모듈 어셈블리(100)의 외곽 온도 측정에 사용되는 제2 온도 센싱부재(143B)이다.
상기 제1 온도 센싱부재(143A)는 상기 인쇄회로기판(141)에서 소정 길이만큼 연장되는 제1 케이블(144a)과 상기 제1 케이블(144a)의 말단에 결합되는 제1 써미스터(144b)를 포함한다. 상기 제2 온도 센싱부재(143B)는 상기 인쇄회로기판(141)에서 소정 길이만큼 연장되는 제2 케이블(145a)과 상기 제2 케이블(145a)의 말단에 결합되는 제2 써미스터(145b)를 구비한다. 상기 제1 케이블(144a)이 상기 제2 케이블(145a)보다 길고, 상기 제1 케이블(144a)과 상기 제2 케이블(145a)은 서로 반대 방향으로 연장되게 배치된다.
배터리 팩(10)은 충방전시 전지셀(110)들에서 발생하는 열을 정확히 감지하고 그에 따라 충방전을 관리하거나 냉각시킬 필요가 있다. 그렇지 못하면 전지셀(110)들의 퇴화 속도가 빨라지고 성능이 저하된다. 따라서 셀 모듈 어셈블리(100)에 포함된 전지셀(110)들의 열 관리를 효과적으로 수행하기 위해서는 상기 전지셀(110)들 중 온도가 가장 높은 전지셀(110)의 온도와 가장 낮은 전지셀(110)의 온도를 정확히 파악할 필요가 있다. 본 실시예의 셀 모듈 어셈블리(100)처럼 전지셀(110)들이 셀 프레임(120)에 수납될 경우, 중심부의 열섬 현상으로 인해 셀 프레임의 내부에서 중심 영역에 있는 전지셀들의 온도가 높고 외곽 영역으로 갈수록 전지셀들의 온도가 상대적으로 낮다.
이에 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 모듈 어셈블리(100)는 셀 프레임(120)의 내부에서 온도가 가장 높은 중심 영역에 있는 전지셀(110)의 온도를 상기 제1 온도 센싱부재(143A)로 측정할 수 있게 구성된다. 이를테면, 셀 모듈 어셈블리(100)는 상기 온도가 가장 높은 전지셀(110)과 제1 써미스터(144b)가 접촉하도록 상기 셀 프레임의 상판부(122) 표면에 온도 센싱홀(122b)을 형성하고 셀 프레임(120)의 외부에서 내부로 상기 제1 써미스터(144b)를 삽입할 수 있도록 구성된다.
구체적으로 도 17을 참조하면, 상기 셀 프레임(120)의 중심 영역에 대응하는 상기 셀 프레임의 상판부(122)에 온도 센싱홀(122b)이 구비될 수 있고, 제1 온도 센싱부재(143A)의 제1 써미스터(144b)는 상기 온도 센싱홀(122b)을 통해 셀 프레임(120)의 내부, 즉 셀 프레임(120)의 수용부(121)에 삽입 배치되어 상기 셀 프레임(120)의 중심 영역에 있는 전지셀(110)의 외주연에 접촉하여 그 온도를 센싱한다.
이때, 제1 온도 센싱부재(143A)의 제1 케이블(144a)은 일부분이 상기 셀 프레임의 상판부(122)의 가장자리에서 상기 온도 센싱홀(122b)의 위치까지 배선된다. 본 실시예의 경우, 상기 셀 프레임의 상판부(122)에 복수의 케이블 가이드 리브(122c,122d,122e)들이 돌출 형성되어 있어 상기 제1 케이블(144a)을 셀 프레임의 상판부(122)의 가장자리에서 상기 온도 센싱홀(122b)까지 벤딩시킬 필요 없이 일직선으로 배선할 수 있다. 이러한 복수의 케이블 가이드 리브(122c,122d,122e)들은, 도 17의 실시 구성과 같이, 상기 제1 케이블(144a)의 직선 배선 경로 상에 돌출된 형태로 구성될 수 있다. 특히, 상기 복수의 케이블 가이드 리브(122c,122d,122e)는 상기 온도 센싱홀(122b)의 둘레 인근에 마련되는 인입부 지지리브(122e)를 포함한다. 상기 인입부 지지리브(122e)는 상기 제1 케이블(144a)에서 상기 온도 센싱홀(122b)에 인입되기 직전 부위를 상기 셀 프레임의 상판부(122)의 표면에서 소정 높이로 이격되게 지지하는 역할을 한다.
상기 구성에 의하면, 상기 셀 프레임의 상판부(122)에 노출되어 있는 전지셀(110)의 상단부, 버스바 플레이트(130)들 또는 금속 와이어(W) 등과의 간섭을 피하려고 제1 케이블(144a)을 벤딩시킬 필요가 없다. 즉, 상기 제1 케이블(144a)은 상기 복수의 케이블 가이드 리브(122c,122d,122e)에 의해 상기 셀 프레임의 상판부(122)의 표면으로부터 이격되어 상기 전지셀(110)의 상단부 또는 버스바 플레이트(130) 또는 금속 와이어(W)의 상부에서 일직선으로 배선될 수 있다. 또한, 상기 복수의 케이블 가이드 리브(122c,122d,122e)가 제1 케이블(144a)의 좌우 움직임을 저지함으로써 제1 써미스터(144b)가 정위치에서 이탈하지 않도록 하는 효과가 있다.
한편, 제2 온도 센싱부재(143B)는 셀 모듈 어셈블리(100)의 외곽 영역에 위치하는 전지셀(110)들 중 하나의 전지셀(110)의 온도를 측정할 수 있게 구성될 수 있다.
도 18을 참조하여 살펴보면, 상기 셀 프레임의 상판부(122)와 교차하는 상기 셀 프레임(120)의 측면부(124)는 관통 형성된 측부 절개공(128)을 구비한다. 셀 프레임(120)의 내부, 즉 수용부(121)에서 최외곽에 위치한 전지셀(110)은 상기 측부 절개공(128)을 통해 상기 전지셀(110)의 측부가 외부로 노출될 수 있다.
제2 온도 센싱부재(143B)의 제2 케이블(145a)은 인쇄회로기판(141)에서 상기 측부 절개공(128)의 위치까지 연장되고, 제2 써미스터(145b)는 상기 측부 절개공(128)을 통해 노출된 상기 전지셀(110)의 측부에 접촉하도록 구성될 수 있다. 이때 상기 제2 써미스터(145b)를 상기 전지셀(110)의 측부에 안정적으로 고정시키기 위해 열전도성 접착제(미도시)가 사용될 수도 있다.
상기 구성에 의하면, 셀 모듈 어셈블리(100)에 포함된 전지셀(110)들 중 중심 영역과 외곽 영역에 위치한 전지셀(110)의 온도 측정이 가능하고 뿐만 아니라 제1 및 제2 온도 센싱부재(143B)의 조립이 매우 용이하고 간단하게 수행될 수 있다.
이상과 같은 전압 센싱 및 온도 센싱 구성으로 셀 모듈 어셈블리(100)에 포함된 전지셀(110)들의 전압 정보와 온도 정보가 센싱되고, 상기 전압 정보와 온도 정보는 인쇄회로기판(141)에서 케이블 커넥터(146)를 통해 BMS 어셈블리(200)로 전송될 수 있다.
이어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)의 조립 구조에 대해 설명하기로 한다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)의 조립 전과 후를 도시한 도면들이고, 도 23은 도 22의 2개의 셀 모듈 어셈블리에 BMS 어셈블리(200)를 조립한 것을 도시한 도면이다.
전술한 바 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)은, 2개의 셀 모듈 어셈블리(100)를 포함한다.
상기 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A,100B)는 상호 간의 셀 프레임의 상판부(122)들이 서로 마주하도록 상호 간의 셀 프레임(120)들이 결합될 수 있게 구성될 수 있다.
구체적으로 도 21을 참조하면, 2개의 상기 셀 프레임(120)들 중 어느 하나의 셀 프레임의 상판부(122)는 결합 방향으로 돌출 형성된 하나 이상의 돌기(122f)를 구비하고, 다른 하나의 셀 프레임의 상판부(122)는 결합 방향으로 돌출 형성되고 상기 돌기(122f)를 내측에 끼울 수 있게 마련된 하나 이상의 간격유지 컬럼(122g)을 구비할 수 있다. 즉, 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)의 셀 프레임의 상판부(122)에 상기 돌기(122f)가 복수 개 구비되고, 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)의 셀 프레임의 상판부(122)에 상기 간격유지 컬럼(122g)이 상기 돌기(122f)의 개수와 위치에 대응하게 구비될 수 있다.
이 같은 구성에 의하면, 도 22에 도시한 바와 같이, 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)의 돌기(122f)들이 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)의 간격유지 컬럼(122g)에 억지끼움 결합되고, 이렇게 결합된 돌기(122f)들과 간격유지 컬럼(122g)에 의해 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)와 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)는 도 22에 표시한 'D1'과 같이 상호 간 일정 간격을 유지하며 상대 유동하지 않게 결합될 수 있다. 따라서 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)의 셀 프레임의 상판부(122)에 구성된 와이어 본딩 영역과 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)의 셀 프레임의 상판부(122)에 구성된 와이어 본딩 영역은 서로 접촉하지 않는다. 그리고 도 23과 같이, 상호 간 물리적으로 결합된 2개의 셀 모듈 어셈블리(100)는 인터 커넥션 버스바(180)에 의해 상호 간 직렬 연결될 수 있다. 여기서 상기 인터 커넥션 버스바(180)는 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)의 양극 버스바 플레이트(130+) 및 상기 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)의 음극 버스바 플레이트(130-)와 접촉하게 배치되는 금속판을 의한다. 따라서 본 실시예에 따른 배터리 팩(10)에 포함된 전지셀(110)들은 14S6P 형태로 직렬 및 병렬 연결될 수 있다.
이러한 2개의 셀 모듈 어셈블리(100A, 100B)는 하부 측에 BMS 어셈블리(200)가 결합되고 미들 케이스(310)에 슬라이드 방식으로 삽입될 수 있으며 상기 미들 케이스(310)의 상단에 상부 커버(320)가 결합될 수 있고, 상기 미들 케이스(310)의 하단에 하부 커버(330)가 결합될 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 배터리 팩(10)의 구성에 의하면, (도 6 참조) 제1 셀 모듈 어셈블리(100A)에 포함된 전지셀(110)들의 탑 캡(112)은 배터리 팩(10)의 중앙 부분을 향하고 전지 캔의 바닥은 배터리 팩(10)의 바깥 부분을 향하게 된다. 그리고 제2 셀 모듈 어셈블리(100B)에 포함된 전지셀(110)들 역시 탑 캡(112)은 배터리 팩(10)의 중앙 부분을 향하고 전지 캔의 바닥은 배터리 팩(10)의 바깥 부분을 향하게 된다.
따라서 전기적 연결 내지 전압/온도 센싱을 위한 버스바 플레이트(130)들과, 센싱 유닛(140), 금속 와이어(W) 등과 같은 부품들이 팩 케이스(300)의 중앙 영역에 위치하게 됨으로 외부 충격에 대한 내구성과 전기적 안전성이 증대될 수 있다. 또한, 2개의 셀 모듈 어셈블리(100)에 포함된 모든 원통형 전지셀(110)들의 바닥면이 팩 케이스(300)의 벽면과 가깝게 위치하므로 원통형 전지셀(110)들의 열을 미들 케이스(310)로 쉽게 방열시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 전기 스쿠터, 전기 자동차 등과 같은 이동 수단에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전지 스쿠터 또는 전기 자동차는 본 발명에 따른 배터리 팩을 하나 이상 포함할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 본 명세서에서는 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (23)

  1. 전지 캔과 상기 전지 캔의 상단부에 결합되는 탑 캡을 구비한 복수의 원통형 전지셀들;
    내부에 상기 복수의 원통형 전지셀들을 세워서 수납할 수 있는 수용부와 일면에 개방부를 구비하는 셀 프레임; 및
    상기 전지 캔의 하단부 둘레의 전부 또는 일부를 감싸며 상기 셀 프레임의 개방부에 결합되는 셀 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    모든 상기 복수의 원통형 전지셀들은,
    상기 전지 캔의 하단부가 상기 셀 프레임의 개방부를 향하고, 상기 전지 캔의 상단부는 상기 전지 캔의 상단부가 상기 셀 프레임의 개방부와 반대 방향에 위치한 셀 프레임의 상판부를 향하도록 상기 셀 프레임에 수납되고,
    상기 셀 스페이서는 절연성 소재로 마련되고,
    상기 전지 캔의 하단부 둘레를 감싸는 스페이서 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서
    상기 스페이서 홀은 상기 전지 캔의 지름에 대응하는 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 원통형 전지셀들은,
    상기 셀 프레임의 내부에 구비되고 상기 전지 캔의 상단부 둘레의 적어도 일부분을 에워싸는 셀 홀더에 의해 지지되어 기립 배치된 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 셀 프레임은, 상기 셀 프레임의 개방부와 상기 셀 프레임의 상판부 사이 거리가 상기 원통형 전지셀들의 길이에 대응하게 구성된 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 셀 프레임의 개방부는 둘레를 형성하는 외곽 테두리부를 포함하고,
    상기 외곽 테두리부는,
    상기 전지 캔의 바닥면과 수평한 면을 이루는 제1 외곽 테두리부와, 상기 셀 스페이서의 두께만큼 상기 제1 외곽 테두리부보다 낮게 단차를 형성하는 제2 외곽 테두리부를 포함하고,
    상기 셀 스페이서는 그 테두리의 적어도 일부분이 상기 제2 외곽 테두리부 상에 안착되는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 셀 스페이서와 상기 전지 캔의 바닥면을 커버하며 상기 셀 프레임에 결합되는 스크린 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전지 캔의 바닥면과 상기 스크린 플레이트는 상호 간 접착 고정된 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 셀 프레임의 상판부는 상기 전지 캔의 상단부을 부분적으로 노출시키는 단자 연결홀들을 구비하고,
    상기 원통형 전지셀들은 상기 탑 캡 또는 상기 전지 캔의 상단 테두리가 상기 단자 연결홀들을 통해 노출되고, 상기 셀 프레임의 상판부의 외측면에 구비되는 복수의 버스바 플레이트들과 와이어 본딩된 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 셀 프레임의 상판부의 외측면과 교차하는 상기 셀 프레임의 측면부에 센싱 유닛이 구비되고,
    상기 센싱 유닛은,
    상기 셀 프레임에 착탈 결합되는 인쇄회로기판;
    상기 인쇄회로기판에 결합되고 상기 버스바 플레이트들과 와이어 본딩된 복수의 센싱 플레이트들; 및
    상기 인쇄회로기판에 결합되고 소정 거리 이격된 상기 전지셀들 중 하나 이상의 전지셀의 온도를 측정하는 온도 센싱부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 센싱 플레이트들은, 상기 버스바 플레이트들과 일대일 대응하는 개수로 구비되고 각각 대응하는 상기 버스바 플레이트들과 와이어 본딩으로 연결된 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 센싱 플레이트들은, 각각
    적어도 1회 절곡된 구조로 마련되어 일측은 상기 인쇄회로기판에 고정 결합되고 타측은 상기 버스바 플레이트들이 배치된 상기 셀 프레임의 외측 일면에 나란하게 배치된 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 센싱 플레이트들은, 각각
    상기 인쇄회로기판에 부착되는 기판 연결부;와
    상기 기판 연결부에서 연장되어 상기 셀 프레임의 외측 일면 가장자리에 배치되는 프레임 안착부를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 버스바 플레이트들의 일단부와 상기 센싱 플레이트들의 프레임 안착부는 서로 교번적으로 이웃하게 배치된 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 온도 센싱부재는, 일단부가 상기 셀 프레임의 내부로 삽입 배치되는 제1 온도 센싱부재를 포함하고,
    상기 제1 온도 센싱부재는 상기 인쇄회로기판에서 소정 길이만큼 연장되는 제1 케이블;과 상기 제1 케이블의 말단에 결합되는 제1 써미스터를 구비하고,
    상기 제1 써미스터는 상기 셀 프레임의 상판부에 관통 형성된 온도 센싱홀을 통해 상기 수용부에 삽입 배치되고 상기 전지셀과 접촉하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 써미스터가 접촉하는 상기 전지셀은, 상기 셀 프레임의 내부에서 중심 영역에 있는 전지셀 중 하나인 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 셀 프레임의 상판부는
    상기 인쇄회로기판에서 상기 온도 센싱홀까지 직선으로 배선되게 상기 제1 케이블의 직선 배선 경로 상에 돌출 형성되는 복수의 케이블 가이드 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 케이블 가이드 리브는,
    상기 케이블에서 상기 온도 센싱홀에 인입되기 직전 부위를 상기 셀 프레임 상판부의 표면에서 소정 높이로 이격되게 지지하는 인입부 지지리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 온도 센싱부재는, 상기 셀 프레임의 상판부와 교차하는 상기 셀 프레임의 외측 타면에 관통 형성된 측부 절개공까지 일단부가 연장되는 제2 온도 센싱부재를 포함하고,
    상기 제2 온도 센싱부재는 상기 인쇄회로기판에서 소정 길이만큼 연장되는 제2 케이블;과 상기 제2 케이블의 말단에 결합되는 제2 써미스터를 구비하고,
    상기 제2 써미스터는 상기 측부 절개공을 통해 상기 수용부에서 최외곽에 위치한 전지셀의 측부에 접촉하게 배치된 것을 특징으로 하는 셀 모듈 어셈블리.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 셀 모듈 어셈블리를 포함하는 배터리 팩으로서,
    상기 전지셀들은 상기 전지 캔의 상단부가 모두 같은 방향을 향하도록 상기 셀 프레임에 수용되고,
    상호 간의 상기 전지셀들의 탑 캡들이 서로 마주하도록 상호 간의 상기 셀 프레임들이 결합된 2개의 상기 셀 모듈 어셈블리;
    2개의 상기 셀 모듈 어셈블리의 일측에 결합된 BMS 어셈블리; 및
    상기 2개의 상기 셀 모듈 어셈블리와 상기 BMS 어셈블리를 일체로 수용하는 팩 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 셀 프레임들은, 각각 상기 전지셀들의 탑 캡들과 대향하는 면인 상기 셀 프레임의 상판부를 포함하고,
    상기 셀 프레임들 중 어느 하나의 셀 프레임의 상판부는 결합 방향으로 돌출 형성된 하나 이상의 돌기를 구비하고, 다른 하나의 셀 프레임의 상판부는 결합 방향으로 돌출 형성되고 상기 돌기를 내측에 끼울 수 있게 마련된 하나 이상의 간격유지 컬럼을 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  22. 제20항에 따른 배터리 팩을 포함하는 전기 스쿠터.
  23. 제20항에 따른 배터리 팩을 포함하는 전기 자동차.
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