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KR20220040869A - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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Publication number
KR20220040869A
KR20220040869A KR1020200124110A KR20200124110A KR20220040869A KR 20220040869 A KR20220040869 A KR 20220040869A KR 1020200124110 A KR1020200124110 A KR 1020200124110A KR 20200124110 A KR20200124110 A KR 20200124110A KR 20220040869 A KR20220040869 A KR 20220040869A
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KR
South Korea
Prior art keywords
bus bar
battery
stacked
pair
battery cells
Prior art date
Application number
KR1020200124110A
Other languages
English (en)
Inventor
김윤호
손인국
이종욱
정연만
김태혁
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Filing date
Publication date
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Priority to CN202110870779.2A priority patent/CN114256544A/zh
Priority to US17/394,884 priority patent/US11817602B2/en
Publication of KR20220040869A publication Critical patent/KR20220040869A/ko
Priority to US18/377,359 priority patent/US20240030560A1/en

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Abstract

제1 방향으로 상호 적층된 복수의 배터리 셀; 상기 복수의 배터리 셀이 적층된 적층 구조물의 상기 제1 방향 양단에 각각 면착되는 한 쌍의 엔드 플레이트; 및 상기 적층 구조물의 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향의 양단에 배치되고, 상기 제2 방향의 양단에 각각 위치한 상기 복수의 배터리 셀의 전극을 각각 상호 접합시키는 버스바와, 상기 버스바와 전기적 연결이 형성된 회로 기판과, 상기 회로 기판에 설치되며 상기 회로 기판을 통해 상기 버스바 어셈블리와 전기적 연결이 이루어진 커넥터를 포함하는 한 쌍의 버스바 어셈블리를 포함하는 배터리 모듈이 개시된다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK COMPRISING THE SAME}
본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
최근, 세계적인 이산화탄소 배출량 저감 추세에 따라 화석 연료의 연소를 통해 주행 동력을 생성하는 전형적인 내연 기관 자동차 대신 배터리와 같은 에너지 저장 장치에 저장된 전기 에너지로 모터를 구동하여 주행 동력을 생성하는 전기 자동차에 대한 수요가 크게 증가하고 있다.
전기 자동차의 성능은 구동 모터로 제공되는 전기 에너지를 저장하는 에너지 저장 장치에 해당하는 배터리의 용량과 성능에 크게 의존적이다.
차량의 주행 동력을 생성하기 위해 모터에 공급되는 전기 에너지를 저장하는 차량용 배터리는, 충방전 성능이 우수하고 사용 연한이 길어야 하는 등 전기적인 측면에서 우수한 특성을 가져야 할 뿐만 아니라 고온 및 고진동과 같은 가혹한 차량의 주행 환경에 강건할 수 있는 기계적 측면의 성능 또한 높은 수준으로 확보되어야 한다.
또한, 차량 제조사 입장에서는 다양한 차종에 일관되게 적용할 수 있도록 규격화 된 사이즈나 용량을 갖는 모듈의 형태로 배터리 하드웨어를 구성하는 것이 유리하다.
상기 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2019-0124368 A KR 10-2012-0062260 A
이에 본 발명은, 다양한 차종에 일관되게 적용할 수 있도록 규격화 된 사이즈 및 용량을 갖는 배터리 모듈 및 이 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
제1 방향으로 상호 적층된 복수의 배터리 셀;
상기 복수의 배터리 셀이 적층된 적층 구조물의 상기 제1 방향 양단에 각각 면착되는 한 쌍의 엔드 플레이트; 및
상기 적층 구조물의 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향의 양단에 배치되고, 상기 제2 방향의 양단에 각각 위치한 상기 복수의 배터리 셀의 전극을 각각 상호 접합시키는 버스바와, 상기 버스바와 전기적 연결이 형성된 회로 기판과, 상기 회로 기판에 설치되며 상기 회로 기판을 통해 상기 버스바 어셈블리와 전기적 연결이 이루어진 커넥터를 포함하는 한 쌍의 버스바 어셈블리;
를 포함하는 배터리 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 버스바는 복수의 슬릿을 가지며, 상기 복수의 배터리 셀의 전극은, 상기 슬릿을 관통한 영역이 밴딩되어 상기 버스바에 접합될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 버스바의 양 측단은 상기 제1 방향으로 절곡되며, 상기 적층 구조물 내 최외곽에 배치된 배터리 셀의 전극은 절곡된 버스바의 양 측단에 절곡되지 않은 상태로 접합될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 한 쌍의 버스바 어셈블리 중 하나에 포함되고 상호 절연된 버스바는 상기 회로 기판에 형성된 회로 패턴을 통해 상호 절연 상태로 상기 커넥터의 서로 다른 핀에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 버스바는 상기 회로 기판에 스크류 체결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 수직인 제3 방향에서 상기 적층 구조물의 일면을 커버하는 제1 커버; 상기 제1 커버의 외곽에서 상기 제1 커버를 가로질러 상기 한 쌍의 엔드 레이트에 양단이 각각 접합된 제1 클램프; 및 상기 제1 커버가 배치된 면에 대향하는 상기 적층 구조물의 면을 가로질러 상기 한 쌍의 엔드 플레이트에 각각 양단이 접합된 제2 클램프를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 한 쌍의 버스바 어셈블리 각각의 외측에서 상기 적층 구조물을 상기 제2 방향으로 각각 커버하는 제2 커버 및 제3 커버를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 적층 구조물은 면압 패드를 개재하여 적층된 한 쌍의 배터리 셀을 포함하는 복수의 셀 어셈블리를 포함하며, 상기 복수의 셀 어셈블리는 상기 제1 방향으로 적층될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 셀 어셈블리는 상기 배터리 셀의 동일한 극성의 전극이 인접하여 배치되도록 상기 배터리 셀이 적층될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 적층 구조물은 상기 셀 어셈블리의 서로 다른 극성의 전극이 인접하도록 상기 셀 어셈블리가 적층될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 셀 어셈블리는 핫멜트를 개재하여 적층될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트 각각은, 상기 적층 구조물과 면접하는 절연 재질의 내부 플레이트와 상기 내부 플레이트의 외곽에서 상기 내부 플레이트를 커버하며 내부 플레이트 보다 큰 강성을 갖는 외부 플레이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 외부 플레이트는 상기 제1 커버와 인접하는 단부에 상기 적층 구조물과 소정 간격 이격되도록 성형되어 온도 센서 삽입을 위한 삽입 공간을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 클램프는 상기 제1 커버에 부착되며, 상기 제1 클램프의 양단은 상기 한 쌍의 엔드 플레이트와 대면하도록 절곡되어 상기 엔드 플레이트의 외면에 접합될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 클램프의 양단은 상기 한 쌍의 엔드 플레이트와 대면하도록 절곡되어 상기 엔드 플레이트의 외면에 접합될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
제1 방향으로 상호 적층된 복수의 배터리 셀; 상기 복수의 배터리 셀이 적층된 적층 구조물의 상기 제1 방향 양단에 각각 면착되는 한 쌍의 엔드 플레이트; 및 상기 적층 구조물의 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향의 양단에 배치되고, 상기 제2 방향의 양단에 각각 위치한 상기 복수의 배터리 셀의 전극을 각각 상호 접합시키는 버스바와, 상기 버스바와 전기적 연결이 형성된 회로 기판과, 상기 회로 기판에 설치되며 상기 회로 기판을 통해 상기 버스바 어셈블리와 전기적 연결이 이루어진 커넥터를 포함하는 한 쌍의 버스바 어셈블리를 각각 포함하는 복수의 배터리 모듈; 및
상기 복수의 배터리 모듈이 안착된 하부 케이스; 및
상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 일부 배터리 모듈의 커넥터에 연결된 전기 배선을 통해 배터리 모듈 내 배터리 셀의 전압을 검출하는 셀 관리 유닛;
를 포함하는 배터리 팩을 제공한다.
상기 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 따르면, 배터리 셀이 적층된 방향을 따라 배터리 모듈의 중심부에는 클램프를 양 측의 엔드 플레이트에 용접하고, 양단부에는 엔드 플레이트를 커버에 볼트 결합함으로써 충분한 강성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 따르면, 버스바 어셈블리를 채용하여 적층된 복수의 배터리 셀의 전극을 한번의 밴딩 공정과 한번의 용접 공정을 통해 전극간 전기적 연결을 형성할 수 있으므로, 공정을 단순화하고 배터리 셀 간의 결과 편차를 제거하여 제조 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 따르면, 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀을 모듈의 형태로 제작함으로써 차종에 따라 배터리 팩의 사양을 변경하더라도 규격화 배터리 셀을 여러 사양의 배터리 팩에 적용할 수 있으므로 배터리 팩 내 배터리 셀 배치를 위한 별도의 설계 과정을 생략할 수 있어 개발 기간 및 개발 비용을 절감할 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 따르면, 배터리 모듈 내 배터리 셀이 다른 간섭 요소 없이 갭필러를 통해 배터리 팩 케이스의 안착면과 접촉할 수 있으므로 배터리 셀에서 발생하는 열을 더욱 효과적으로 배출할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈을 상부에서 본 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈을 하부에서 본 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈 내 셀 어셈블리의 구조를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 배터리 셀 적층 구조물의 구조를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 적층 구조물과 엔드 플레이트의 위치 관계를 도시한 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 엔드 플레이트의 외면 및 내면을 더욱 확대하여 도시한 평면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 외부 플레이트에 형성된 삽입 공간을 더욱 상세하게 도시한 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 적층 구조물과 버스바 어셈블리의 위치 관계를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈에 적용된 버스바 어셈블리를 더욱 확대하여 도시한 평면도이다.
도 11은 도 10에 도시된 버스바 어셈블리의 버스바와 적층 구조물 내 배터리 셀의 전극이 접합된 상태를 도시한 평면도이다.
도 12는 도 10에 도시된 버스바 어셈블리와 적층 구조물이 접합된 상태를 제3 방향에서 바라본 평면도이다.
도 13은 도 10에 도시된 버스바 어셈블리에 적층 구조물의 최외곽 배터리 셀의 전극이 접합되는 구조를 도시한 사시도이다.
도 14는 도 12에 도시된 전방 버스바 어셈블리 내 버스바 및 회로 기판의 연결 상태를 도시한 평면도이다.
도 15는 도 12에 도시된 후방 버스바 어셈블리 내 버스바 및 회로 기판의 연결 상태를 도시한 평면도이다.
도 16는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 커버, 제1 클램프 및 제2 클램프와 적층 구조물의 위치 관계를 도시한 사시도이다.
도 17은 도 12에 도시된 제1 클램프의 일단부를 도시한 도면이다.
도 18는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 제2 커버 및 제3 커버와 적층 구조물의 위치 관계를 도시한 사시도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈에서 제2 커버 및 제3 커버가 조립된 구조를 상세하게 도시한 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈이 배치된 배터리 팩을 도시한 평면도이다.
도 21은 도 20에 도시된 배터리 팩의 일부분을 더욱 상세하게 도시한 평면도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시형태에 따른 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈을 상부에서 본 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈을 하부에서 본 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈(10)은, 제1 방향(x축 방향)으로 상호 적층된 복수의 배터리 셀(110)과, 복수의 배터리 셀(110)이 적층된 구조물(100)의 제1 방향 양단에 각각 면착되는 한 쌍의 엔드 플레이트(20)와, 배터리 셀(110)이 적층된 구조물(100)의 제1 방향에 수직인 제2 방향(y축 방향)의 양단에 배치되어 복수의 배터리 셀(110)의 전극이 상호 접합된 한 쌍의 버스바 어셈블리(30)와, 제1 방향과 제2 방향에 수직인 제3 방향(z축 방향)으로 복수의 배터리 셀(110)이 적층된 구조물(100)의 일면을 커버하는 제1 커버(40)와, 제1 커버(40)의 외곽에서 제1 커버(40)를 가로질러 한 쌍의 엔드 플레이트(20)에 각각 양단이 접합된 제1 클램프(51) 및 상기 제1 커버(40)가 배치된 면에 대향하는 복수의 배터리 셀(110)이 적층된 구조물(100)의 면을 가로질러 두 엔드 플레이트(20)에 각각 양단이 접합된 제2 클램프(52)를 포함하여 구성될 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈은, 버스바 어셈블리(30) 각각의 외측에서 배터리 셀(110)이 적층된 구조물(100)을 제2 방향으로 각각 커버하는 제2 커버 및 제3 커버(60)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈 내 셀 어셈블리의 구조를 도시한 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 배터리 셀 적층 구조물의 구조를 도시한 사시도이다.
배터리 셀(10)을 복수 개 적층한 적층 구조물은, 도 4에 도시한 것과 같이, 하나의 배터리 셀(110)과 면압 패드(120) 및 다른 하나의 배터리 셀(110)를 서로 적층하여, 두 개의 배터리 셀(110)과 그 사이에 개재되는 면압 패드(120)를 포함하는 셀 어셈블리(11)를 포함할 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 것과 같은 셀 어셈블리(11)를 도 5에 도시한 것과 같이 복수 개 적층함으로써 적층 구조물(100)이 제작될 수 있다.
하나의 배터리 셀 어셈블리(11) 내에서 각 배터리 셀(110)은 동일 극성을 갖는 전극(예를 들어, 양극 전극(111a) 또는 음극 전극(111b)이 서로 인접하도록 배치될 수 있다.
면압 패드(120)는 배터리 셀(110)이 스웰링 될 때 탄성을 제공하여 모듈의 구조가 변형되는 것을 방지하기 위한 요소이다.
복수의 셀 어셈블리(11)는 핫멜트(H)를 개재하여 상호 적층될 수 있다. 핫멜트(H)는 열이 가해지는 경우 접착성이 발현되는 일종의 액상 접합제로서 복수의 셀 어셈블리(11)를 상호 적층하기 이전에 사전 설정된 패턴으로 배터리 셀(10)의 표면에 도포될 수 있으며, 셀 어셈블리(11)의 적층 이후 적층된 배터리 셀들을 정렬하고 한 번에 열을 인가하여 배터리 셀 사이의 위치 관계가 원하는 바와 같이 구현되도록 할 수 있다.
적층 구조물 내에서 각 셀 어셈블리(11)는 서로 다른 극성의 전극이 인접하도록 적층될 수 있다. 이는 후술하는 버스바 어셈블리(30)의 버스바와 배터리 셀 전극 간 접속이 이루어지는 경우 셀 어셈블리 사이에 전기적으로 직류의 연결 관계가 성립될 수 있게 하기 위함이다. 즉, 셀 어셈블리(11) 내의 배터리 셀들은 상호 전기적으로 상호 직렬 연결관계를 형성하고, 셀 어셈블리(11) 간에는 전기적으로 직렬 연결 관계가 형성될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 배터리 셀(110)이 적층되는 방향을 제1 방향(x축 방향)이라고 하고, 배터리 셀(110)의 전극을 서로 잇는 제1 방향에 수직인 방향을 제2 방향(y축 방향)이라고 하기로 한다. 또한, 제1 방향 및 제2 방향에 서로 수직인 방향, 즉 배터리 셀(110)의 전극이 형성되지 않은 변을 잇는 방향을 제3 방향(z축 방향)이라고 하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 적층 구조물과 엔드 플레이트의 위치 관계를 도시한 사시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 배터리 셀 적층 구조물(100)의 적층 방향인 제1 방향에서 적층 구조물(100)의 양단에 위치한 면, 적층 구조물(100)을 구성하는 복수의 배터리 셀(110)들 중 최외곽에 위치한 배터리 셀의 노출면과 면접촉 하도록 한 쌍의 엔드 플레이트(20)가 배치될 수 있다.
한 쌍의 엔드 플레이트(20)는 상호 간의 간격을 일정하게 유지하여 배터리 셀(110)의 스웰링이 발생하는 경우에 자체의 강성으로 배터리 모듈 변형을 방지하고 적층된 배터리 셀(110) 사이의 면압을 균일하게 유지하게 하는 요소이다. 따라서, 엔드 플레이트(20)는 배터리 셀(110)과 면접촉을 유지하면서 배터리 모듈 변형을 방지할 수 있는 충분한 강성을 가져야 하며, 면압의 균일화를 위한 추가적인 수단도 구비하는 것이 바람직하다.
도 7은 도 6에 도시된 엔드 플레이트의 외면 및 내면을 더욱 확대하여 도시한 평면도이다.
도 7에 도시된 것과 같이, 각 엔드 플레이트(20)는 배터리 모듈(10)의 외부로 노출되는 외부 플레이트(201)와 외부 플레이트(201)에 의해 커버되며 배터리 적층 구조물(100)과 면접촉하는 내부 플레이트(202)를 포함할 수 있다. 외부 플레이트(201)는 충분한 강성을 확보하면서도 경량화가 가능하도록 알루미늄과 같은 금속 재질로 구현될 수 있으며, 내부 플레이트(202)는 외부 플레이트(201) 보다는 강성이 떨어지지만 적층 구조물(100)의 최외곽 배터리 셀(110)과 면접촉하는 경우 전기적 절연을 확보할 수 있는 플라스틱과 같은 절연 재질로 구현될 수 있다.
도 8은 도 7에 도시된 외부 플레이트에 형성된 삽입 공간을 더욱 상세하게 도시한 부분 단면도이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 엔드 플레이트(20)의 외부 플레이트(201)의 제2 방향에 위치한 변에는 다양한 금속 성형 기술을 적용하여 적층 구조물(100)과 소정 간격 이격된 온도 센서(80)를 삽입할 수 있는 삽입 공간(T)가 형성될 수 있다. 이 삽입 공간(T)가 형성되는 영역은 도 1, 도 6 및 도 7에 참조부호 'A'로 지시된 부분에 해당하며, 도 8은 'A'에 해당하는 영역을 제1 방향으로 절개한 단면도에 해당한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈(10)들은 차종에 맞게 설계된 케이스 내에 복수 개가 배치되어 하나의 배터리 팩을 구현할 수 있다. 배터리 팩의 관리를 위해서는 내부의 온도 파악이 매우 중요하며 통상 배터리 모듈 내에 온도 센서가 내장되는 형태로 배터리 모듈이 제작된다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈은 모듈 자체에 온도 센서를 내장 시키지 않으며, 복수의 배터리 모듈이 케이스 내에 배치된 이후 온도 센서를 설치할 수 있는 공간(T)을 제공하는 것을 특징으로 한다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈(10)은 제1 커버(40)가 설치된 면에 대향면에 별도의 커버링 수단을 구비하지 않고 배터리 셀이 노출되며, 배터리 셀이 노출된 면이 케이스의 바닥면을 향하게 배치된다. 따라서, 온도센서 삽입 공간(T)은 외부 플레이트(201)의 제1 커버(40)에 인접한 단부에 배터리 셀 적층 구조물과 외부 플레이트(201) 사이에 소정 공간이 확보되도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 적층 구조물과 버스바 어셈블리의 위치 관계를 도시한 사시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 배터리 셀 적층 구조물(100)의 적층 방향에 수직인 제2 방향, 즉 배터리 셀(110)의 전극(111a, 111b)을 잇는 방향에서 적층 구조물(100)의 양단으로 버스바 어셈블리(30)가 설치될 수 있다.
버스바 어셈블리(30)는 적층 구조물(100) 내 배터리 셀(110)의 전극(111a, 111b) 사이의 전기적 접속을 형성하기 위한 버스 바를 구비하는 요소이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈에 적용된 버스바 어셈블리를 더욱 확대하여 도시한 평면도이고, 도 11은 도 10에 도시된 버스바 어셈블리의 버스바와 적층 구조물 내 배터리 셀의 전극이 접합된 상태를 제2 방향에서 바라본 평면도이며, 도 12는 도 10에 도시된 버스바 어셈블리와 적층 구조물이 접합된 상태를 제3 방향에서 바라본 평면도이다.
도 10에 도시된 것과 같이, 버스바 어셈블리(30)는 플라스틱과 같은 절연 재질의 프레임(31)과, 프레임(31)에 부착되며 배터리 셀(110)의 전극(111a, 111b)이 삽입될 수 있는 슬릿(33)을 갖는 버스바(32)를 포함할 수 있다. 이 슬릿(33) 사이의 간격은 적층 구조물(100) 내에 위치한 배터리 셀(110)의 전극(111a, 111b) 사이의 간격에 대응되는 간격일 수 있다. 프레임(31)은 전기적으로 상호 절연되어야 하는 버스바 사이의 영역에 형성된 격벽(35)을 포함할 수 있다.
버스바 어셈블리(30)는 배터리 모듈에 속하는 배터리 셀(110)의 전압을 모니터링하기 위한 회로 기판(34)을 포함할 수 있다. 여기서 회로 기판(34)는 PCB 등과 같이 회로 패턴이 인쇄된 기판과 필요에 따라 기판에 실장된 전기 소자 등을 포함할 수 있다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 버스바 어셈블리(30)의 버스바(32)에 형성된 슬릿(33)으로 배터리 셀(110)의 전극(111a, 111b)이 삽입되면, 배터리 셀(110)의 전극(111a, 111b) 전체를 한 번에 밴딩하여 버스바(32)와 접촉시킨 후 한 번의 용접 공정을 통해 버스바(32)와 배터리 셀(110)의 전극(111a, 111b)이 서로 접합될 수 있다.
도 13은 도 10에 도시된 버스바 어셈블리에 적층 구조물의 최외곽 배터리 셀의 전극이 접합되는 구조를 도시한 사시도이다.
도 13에 도시한 것과 같이 적층 구조물의 최외곽에 배치된 배터리 셀(110-1)의 전극은 버스바(32)에 형성된 슬릿(33)에 삽입되지 않고, 제2 방향에 나란하도록 절곡된 구조 갖는 버스바(32)의 측단부에 별도의 절곡 없이 용접되어 접합될 수 있다.
도 11에서 참조부호 'W'는 용접을 위한 용접 에너지가 조사된 영역을 나타낸다. 또한, 도 12에서 참조부호 '30-1'은 제2 방향의 일면에 설치된 버스바 어셈블리를 지시하며, 참조부호 '30-2'는 제2 방향의 타면에 설치된 버스바 어셈블리를 지시한다. 설명의 편의 상 참조부호 '30-1'에 해당하는 버스바 어셈블리를 전방 버스바 어셈블리라 하고 참조부호 '30-2'에 해당하는 버스바 어셈블리를 후방 버스바 어셈블리라 하기로 한다.
종래의 배터리 모듈의 경우 사전에 단위 배터리 셀의 전극을 밴딩하여 1차 용접을 수행한 후 다시 복수의 단위 배터리 셀을 적층한 후 다시 2차 용접을 수행하여 배터리 셀 적층 구조의 전기적 연결을 구현하는 방식이 적용되고 있다. 이러한 종래의 방식은 다수의 밴딩 및 용접 공정이 수행될 뿐만 아니라 그 균일 성을 확보하기가 어려워 2차 용접 시 용접 대상의 단차가 발생하는 등 문제가 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시형태는 버스바 어셈블리(30)를 적용하여 한번의 밴딩 공정과 한번의 용접 공정을 통해 배터리 모듈 내 전체 배터리 셀간의 전기적 연결을 형성할 수 있어, 공정을 단순화하고 제조 품질을 향상시킬 수 있다.
도 14는 도 12에 도시된 전방 버스바 어셈블리 내 버스바 및 회로 기판의 연결 상태를 도시한 평면도이고, 도 15는 도 12에 도시된 후방 버스바 어셈블리 내 버스바 및 회로 기판의 연결 상태를 도시한 평면도이다.
도 14 및 도 15에 도시된 것과 같이, 각 버스바 어셈블리 내 버스바(32)는 회로기판(34)과 전기적으로 연결될 수 있다. 더욱 구체적으로는 서로 전기적인 절연이 이루어진 각 버스바는 스크류(342)를 통해 회로기판(34)에 형성된 서로 절연된 상태의 도전 패턴과 연결될 수 있으며, 회로 기판(34) 내 각 도전 패턴은 커넥터(341)의 핀과 각각 전기적으로 연결될 수 있다.
배터리 팩 내에 복수의 배터리 모듈이 배치되는 경우, 각 배터리 모듈의 전후방의 버스바 어셈블리(30-1, 30-2)에 구비된 커넥터(341)에 전기적 연결을 형성하여 배터리 모듈 내 배터리 셀의 전압을 검출하고 모니터링할 수 있게 된다. 배터리 셀의 전압은 배터리 팩 내에 설치되는 셀 관리 유닛(Cell Management Unit: CMU)를 통해 이루어질 수 있다.
도 16는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 커버, 제1 클램프 및 제2 클램프와 적층 구조물의 위치 관계를 도시한 사시도이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 배터리 셀 적층 구조물(100)의 제3 방향에서 적층 구조물(100)의 일단에 제1 커버(40)가 배치될 수 있다.
또한, 제1 커버(40)의 외부에서 제1 방향을 따라 연장된 바 구조의 제1 클램프(51)가 적층 구조물(100)을 가로질러 배치될 수 있으며, 제1 클램프(51)의 양단은 한 쌍의 엔드 플레이트(20)에 각각 접합될 수 있다.
또한, 제1 커버(40)가 배치된 적층 구조물(100)의 일면에 대향하는 타면 인근에는 제1 방향을 따라 연장된 바 구조의 제2 클램프(52)가 적층 구조물(100)을 가로질러 배치될 수 있으며, 제2 클램프(52)의 양단은 한 쌍의 엔드 플레이트(20)에 각각 접합될 수 있다.
제1 클램프(51)는 제1 커버(40)에 열융착 등의 방식으로 고정될 수 있으며, 그 양단이 두 엔드 플레이트(20)에 각각 접합됨으로써 배터리 셀(110)의 스웰링 시에도 두 엔드 플레이트(20) 사이의 거리가 일정하게 유지되게 할 수 있다. 또한, 제2 클램프(52)는 적층 구조물(100)의 노출된 면(도면 상의 하면)에 인접하여 이격 배치되어 제1 클램프(51)와 마찬가지로 배터리 셀의 스웰링 시에도 두 엔드 플레이트(20) 사이의 거리가 일정하게 유지되게 할 수 있다.
도 17은 도 16에 도시된 제1 클램프의 일단부를 도시한 도면이다.
도 17에 도시된 것과 같이 제1 클램프(51)의 단부는 엔드 플레이트(20) 방향으로 절곡된 갈고리와 같은 구조를 가질 수 있으며, 절곡된 단부는 엔드 플레이트(20)의 외면과 대면할 수 있다. 절곡된 단부가 엔드 플레이트(20)의 일변에 인접한 외면에 용접됨으로써('W': 용접 영역) 엔드 플레이트(20)에 고정될 수 있다. 도 11에 도시된 것과 같은 접합 구조는, 제2 클램프(52)에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
이와 같이, 제1 클램프(51)는 두 엔드 플레이트(20) 각각의 일변(도면 상의 상부변)에 접합되고, 제2 클램프(52)는 제1 클램프(51)가 접합된 두 엔드 플레이트(20) 변의 대변(도면 상의 하부변)에 각각 접합되어 엔드 플레이트의 제2 방향의 중심부에서 두 엔드 플레이트 간 간격을 일정하게 유지하여 엔드 플레이트에 의한 강성이 내부의 배터리 셀에 작용되게 할 수 있다.
도 18는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈의 제2 커버 및 제3 커버와 적층 구조물의 위치 관계를 도시한 사시도이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 배터리 셀 적층 구조물(100)의 적층 방향에 수직인 제2 방향, 즉 배터리 셀(110)의 전극(111a, 111b)을 잇는 방향에서 적층 구조물(100)의 양단으로 각각 제2 및 제3 커버(60)가 배치될 수 있다. 여기에서, 제2 커버와 제3 커버(60)는 배터리 모듈(10)의 대칭적 위치에 설치되는 실질적으로 동일한 구성이므로 동일한 참조부호로 지시하기로 한다.
제2 커버와 제3 커버(60)를 설치함으로써 버스바 어셈블리(30)에 대한 커버가 이루어지면서 배터리 모듈(10)을 최종적으로 완성될 수 있다. 제2 커버와 제3 커버(60)는 버스바 어셈블리(30)에 구비된 요소들 중 배터리 모듈의 외부로 노출되어야 하는 요소들(예를 들어, 외부의 전기적 연결을 위해 노출되어야 하는 버스바의 일부분, 셀 전압을 검출한 정보를 제공하기 위한 커넥터 등)을 노출 시킬 수 있는 관통구 들을 포함할 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈에서 제2 커버 및 제3 커버가 조립된 구조를 상세하게 도시한 도면이다.
도 19에 도시한 바와 같이, 제2 커버 및 제3 커버(30)의 측면부는 엔드 플레이트(20)와 접촉할 수 있다. 엔드 플레이트(20)와 제2 커버 및 제3 커버(30)의 측면부는 볼트(21)를 통해 상호 결합될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 두 엔드 플레이트(20)는 커버(60) 내측에 배치된 하나의 장너트의 양단에 볼트(21)가 결합될 수 있다.
이에 더하여, 제2 커버 및 제3 커버(30)의 측면부에는 제1 방향으로 돌출된 걸림 돌기(61)가 형성될 수 있으며, 엔드 플레이트(20)의 에지가 이 걸림 돌기(61)에 걸림으로써 상호간의 조립 규제를 형성할 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈이 배치된 배터리 팩을 도시한 평면도이고, 도 21은 도 20에 도시된 배터리 팩의 일부분을 더욱 상세하게 도시한 평면도이다.
도 20 및 도 21에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈(10)은 배터리 팩(900)의 하부 케이스(910) 상에 사전 설정된 배열 패턴을 갖고 안착될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈(10) 각각의 버스바 어셈블리에는 배터리 전압을 검출하는데 사용될 수 있는 커넥터(341)가 구비되므로, 배터리 팩(900)의 하부 케이스(910)에 원하는 배열 형태로 배터리 모듈(10)을 배치한 이후 커넥터(341)에 연결되는 전기 배선(80)을 형성함으로써 배터리 모듈(10) 내 배터리 셀 전압을 검출하고 모니터링 할 수 있다.
특히, 도 11에 도시된 것과 같이, 복수의 배터리 모듈(10) 중 사전 설정된 개수의 배터리 모듈(10)의 커넥터(341)가 하나의 셀 관리 모듈(930)에 연결되고, 하나의 셀 관리 모듈(930)은 전기 배선이 연결된 복수의 배터리 모듈(20)에 대해 전압 검출 및 모니터링을 수행할 수 있다.
배터리 팩(900) 내에는 복수의 셀 관리 유닛이 설치될 수 있으며, 복수의 셀 관리 유닛은 자신에 연결된 복수의 배터리 모듈(10)에 대한 배터리 셀 전압 검출 결과에 대한 정보를 전기 배선(80)을 이용하여 상위 제어기로 전송할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩은, 배터리 셀이 적층된 방향을 따라 배터리 모듈의 중심부에는 클램프를 양 측의 엔드 플레이트에 용접하고, 양단부에는 엔드 플레이트를 커버에 볼트 결합함으로써 충분한 강성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩은, 버스바 어셈블리를 채용하여 적층된 복수의 배터리 셀의 전극을 한번의 밴딩 공정과 한번의 용접 공정을 통해 전극간 전기적 연결을 형성할 수 있으므로, 공정을 단순화하고 배터리 셀 간의 결과 편차를 제거하여 제조 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩은, 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀을 모듈의 형태로 제작함으로써 차종에 따라 배터리 팩의 사양을 변경하더라도 규격화 배터리 셀을 여러 사양의 배터리 팩에 적용할 수 있으므로 배터리 팩 내 배터리 셀 배치를 위한 별도의 설계 과정을 생략할 수 있어 개발 기간 및 개발 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩은, 배터리 모듈 내 배터리 셀이 다른 간섭 요소 없이 갭필러를 통해 배터리 팩 케이스의 안착면과 접촉할 수 있으므로 배터리 셀에서 발생하는 열을 더욱 효과적으로 배출할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 배터리 모듈 100: 배터리 셀 적층 구조물
110: 배터리 셀 111a, 111b: 배터리 셀 전극
120: 면압 패드 20: 엔드 플레이트
201: 외부 플레이트 202: 내부 플레이트
21: 볼트 30: 버스바 어셈블리
31: 프레임 32: 버스바
33: 슬릿 34: 전압 센싱 회로 기판
341: 커넥터 342: 스크류
35: 격벽 40: 제1 커버
51, 52: 클램프 60: 제2 커버, 제3 커버
61: 걸림 돌기 80: 전기 배선
900: 배터리 팩 910: 하부 케이스
930: 셀 관리 유닛(CMU)

Claims (20)

  1. 제1 방향으로 상호 적층된 복수의 배터리 셀;
    상기 복수의 배터리 셀이 적층된 적층 구조물의 상기 제1 방향 양단에 각각 면착되는 한 쌍의 엔드 플레이트; 및
    상기 적층 구조물의 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향의 양단에 배치되고, 상기 제2 방향의 양단에 각각 위치한 상기 복수의 배터리 셀의 전극을 각각 상호 접합시키는 버스바와, 상기 버스바와 전기적 연결이 형성된 회로 기판과, 상기 회로 기판에 설치되며 상기 회로 기판을 통해 상기 버스바 어셈블리와 전기적 연결이 이루어진 커넥터를 포함하는 한 쌍의 버스바 어셈블리;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 버스바는 복수의 슬릿을 가지며,
    상기 복수의 배터리 셀의 전극은, 상기 슬릿을 관통한 영역이 밴딩되어 상기 버스바에 접합된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 버스바의 양 측단은 상기 제1 방향으로 절곡되며, 상기 적층 구조물 내 최외곽에 배치된 배터리 셀의 전극은 절곡된 버스바의 양 측단에 절곡되지 않은 상태로 접합되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 한 쌍의 버스바 어셈블리 중 하나에 포함되고 상호 절연된 버스바는 상기 회로 기판에 형성된 회로 패턴을 통해 상호 절연 상태로 상기 커넥터의 서로 다른 핀에 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 버스바는 상기 회로 기판에 스크류 체결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 방향과 상기 제2 방향에 수직인 제3 방향에서 상기 적층 구조물의 일면을 커버하는 제1 커버;
    상기 제1 커버의 외곽에서 상기 제1 커버를 가로질러 상기 한 쌍의 엔드 레이트에 양단이 각각 접합된 제1 클램프; 및
    상기 제1 커버가 배치된 면에 대향하는 상기 적층 구조물의 면을 가로질러 상기 한 쌍의 엔드 플레이트에 각각 양단이 접합된 제2 클램프;
    를 더 포함하는 배터리 모듈.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 한 쌍의 버스바 어셈블리 각각의 외측에서 상기 적층 구조물을 상기 제2 방향으로 각각 커버하는 제2 커버 및 제3 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 적층 구조물은 면압 패드를 개재하여 적층된 한 쌍의 배터리 셀을 포함하는 복수의 셀 어셈블리를 포함하며, 상기 복수의 셀 어셈블리는 상기 제1 방향으로 적층된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 셀 어셈블리는 상기 배터리 셀의 동일한 극성의 전극이 인접하여 배치되도록 상기 배터리 셀이 적층된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 적층 구조물은 상기 셀 어셈블리의 서로 다른 극성의 전극이 인접하도록 상기 셀 어셈블리가 적층된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 복수의 셀 어셈블리는 핫멜트를 개재하여 적층된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 한 쌍의 엔드 플레이트 각각은, 상기 적층 구조물과 면접하는 절연 재질의 내부 플레이트와 상기 내부 플레이트의 외곽에서 상기 내부 플레이트를 커버하며 내부 플레이트 보다 큰 강성을 갖는 외부 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 외부 플레이트는 상기 제1 커버와 인접하는 단부에 상기 적층 구조물과 소정 간격 이격되도록 성형되어 온도 센서 삽입을 위한 삽입 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 클램프는 상기 제1 커버에 부착되며, 상기 제1 클램프의 양단은 상기 한 쌍의 엔드 플레이트와 대면하도록 절곡되어 상기 엔드 플레이트의 외면에 접합된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 클램프의 양단은 상기 한 쌍의 엔드 플레이트와 대면하도록 절곡되어 상기 엔드 플레이트의 외면에 접합된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  16. 제1 방향으로 상호 적층된 복수의 배터리 셀; 상기 복수의 배터리 셀이 적층된 적층 구조물의 상기 제1 방향 양단에 각각 면착되는 한 쌍의 엔드 플레이트; 및 상기 적층 구조물의 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향의 양단에 배치되고, 상기 제2 방향의 양단에 각각 위치한 상기 복수의 배터리 셀의 전극을 각각 상호 접합시키는 버스바와, 상기 버스바와 전기적 연결이 형성된 회로 기판과, 상기 회로 기판에 설치되며 상기 회로 기판을 통해 상기 버스바 어셈블리와 전기적 연결이 이루어진 커넥터를 포함하는 한 쌍의 버스바 어셈블리를 각각 포함하는 복수의 배터리 모듈; 및
    상기 복수의 배터리 모듈이 안착된 하부 케이스; 및
    상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 일부 배터리 모듈의 커넥터에 연결된 전기 배선을 통해 배터리 모듈 내 배터리 셀의 전압을 검출하는 셀 관리 유닛;
    를 포함하는 배터리 팩.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 버스바는 복수의 슬릿을 가지며,
    상기 복수의 배터리 셀의 전극은, 상기 슬릿을 관통한 영역이 밴딩되어 상기 버스바에 접합된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 버스바의 양 측단은 상기 제1 방향으로 절곡되며, 상기 적층 구조물 내 최외곽에 배치된 배터리 셀의 전극은 절곡된 버스바의 양 측단에 절곡되지 않은 상태로 접합되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 한 쌍의 버스바 어셈블리 중 하나에 포함되고 상호 절연된 버스바는 상기 회로 기판에 형성된 회로 패턴을 통해 상호 절연 상태로 상기 커넥터의 서로 다른 핀에 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  20. 청구항 16에 있어서,
    상기 버스바는 상기 회로 기판에 스크류 체결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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