KR100746485B1 - 이차전지 모듈용 센싱 보드 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지인 다수의 단위전지들로 구성된 고출력 대용량의 전지모듈에서 단위전지의 전압, 전류 등을 검출할 수 있는 센싱 보드 어셈블리로서, 상기 단위전지들의 전극단자를 전기적으로 연결하며 인쇄회로기판에 접속하기 위한 연장 접속부를 포함하고 있는 커넥팅 부재, 및 상기 커넥팅 부재의 연장 접속부가 삽입되어 결합될 수 있는 천공구와 상기 천공구에 연결되는 회로가 형성되어 있는 인쇄회로기판을 포함하는 것으로 구성되어 있는 센싱 보드 어셈블리를 제공한다.

Description

이차전지 모듈용 센싱 보드 어셈블리 {Sensing Board Assembly for Secondary Battery Module}
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 모식적 사시도이다;
도 2에는 커넥팅 부재가 연결되지 않은 상태에서 본 발명의 하나의 실시예에 따른 센싱 보드 어셈블리 중 인쇄회로기판의 정면도이다;
도 3은 도 1의 전지모듈에서 하부 케이스와 단위전지의 조립과정을 보여주는 모식도이다;
도 4는 본 발명의 전지모듈의 제조에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 조립형 절연성 부재의 결합전 상태도이다;
도 5는 본 발명의 센싱 보드 어셈블리에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 한 쌍의 분리형 커넥팅 부재의 모식도이다;
도 6은 도 4의 조립형 절연성 부재와 도 5의 분리형 커넥팅 부재를 사용하여 단위전지의 전극단자들을 연결하기 위한 일부 조립 공정의 모식도이다;
도 7은 도 6의 조립과정 후 도 2의 인쇄회로기판을 연결하는 과정의 모식도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100: 전지모듈 200: 단위전지
300: 제 1 회로부 400: 제 2 회로부
500: 제 3 회로부 600: 인쇄회로기판
700: 절연성 부재 800: 커넥팅 부재
900: 퓨즈
본 발명은 이차전지 모듈용 센싱 보드 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수의 이차전지를 전기적으로 연결하여 고출력 대용량을 제공하는 이차전지 모듈에서 단위전지의 전압, 전류 등을 검출하기 위한 수단으로서의 센싱 보드 어셈블리 및 그것을 포함하는 것으로 구성된 이차전지 모듈을 제공한다.
최근, 충방전이 가능한 이차전지는 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 이차전지는, 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 에플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되고 있으며, 향후에는 지금보다도 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것 으로 예상된다.
이와 같이 이차전지의 적용 분야와 제품들이 다양화됨에 따라, 전지의 종류 또한 그에 알맞은 출력과 용량을 제공할 수 있도록 다양화되고 있다. 더불어, 당해 분야 및 제품들에 적용되는 전지들은 소형 경량화가 강력히 요구되고 있다.
예를 들어, 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등과 같은 소형 모바일 기기들은 해당 제품들의 소형 경박화 경향에 따라 그에 상응하도록 디바이스 1 대당 하나 또는 서너 개의 소형 경량의 전지 셀들이 사용되고 있다. 반면에, 전기자전거, 전기오토바이, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 전지모듈(또는 "전지팩")이 사용되고 있다. 전지모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지모듈을 제조하려고 노력하고 있다.
종래의 중대형 이차전지 모듈은 일정한 크기의 케이스(하우징) 내부에 다수의 단위전지들을 장착하여 이를 전기적으로 연결하고, 그러한 케이스의 외면에 상기 단위전지들의 전압, 전류, 온도 등을 검출하고 전지의 작동을 제어하는 다수의 회로부들을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
중대형 이차전지 모듈은 그것의 구조적 또는 사용적 특성으로 인해 소형 전지에서와는 다른 구성이 요구된다.
중대형 이차전지 모듈은 고출력 대용량의 제공을 위해 다수의 전지들이 사용되고 있고 특히 고출력을 위해 구성 단위전지들 전체 또는 적어도 일부의 단위전지 들이 직렬로 연결되어 있다. 따라서, 일부 단위전지들의 과충전, 과방전, 과전류, 발열 등에 의한 안전성 훼손은 연쇄적인 부반응에 의해 전지모듈 전체의 발화 또는 폭발을 유발할 수 있으며, 일부 단위전지들의 기능 저하는 전지모듈 전체의 작동 저하를 초래할 수 있다. 그러므로, 각 단위전지의 전압 및/또는 전류와 전지모듈 전체의 온도를 계속적으로 검출하여 제어하는 수단이 사용되고 있다.
일반적으로 단위전지의 전압 및/또는 전류는 단위전지의 전극단자에 직접 와이어 등을 연결하거나 또는 전극단자의 전기적 연결부재에 와이어 등을 연결하여 BMS (Battery Management System) 등의 회로부에서 검출 및 제어한다. 따라서, 전압, 전류 등의 검출을 위해 많은 배선이 요구되며, 그에 따라 전지모듈의 조립 과정이 복잡하고 불량의 가능성이 높은 문제점을 가지고 있다.
일반적으로 전지모듈의 단위전지로는 높은 집적도로 중첩될 수 있는 각형 또는 파우치형 전지가 많이 사용되고 있고, 그 중에서도 경량이며 저렴한 파우치형 전지가 선호되고 있다. 파우치형 전지는 파우치형의 알루미늄 라미네이트 시트와 같은 케이스에 양극/분리막/음극의 전극 조립체가 밀봉되어 있는 전지로서, 외면에 작은 판상의 전극단자가 노출되어 있는 구조를 가지고 있다. 그러나, 이러한 판상의 전극단자는 전기적 연결을 위한 구성에 많은 어려움을 야기시킨다. 일반적으로 전극단자들 간의 전기적 연결은 와이어, 금속 플레이트, 버스 바 등을 사용하여 용접으로 달성되지만, 판상의 전극단자는 그러한 용접 작업이 용이하지 않다. 일부 선행기술에는 인쇄회로기판에 전기적 연결을 위한 구멍을 천공하고 단위전지의 전극단자들을 상기 구멍에 삽입하여 용접하는 방법을 제시하고 있지만, 전극단자들의 기계적 강도가 크지 않으므로, 다수 중첩된 단위전지들의 전극단자들을 설정된 위치에서 정확하게 삽입하기 어렵고 또한 인쇄회로기판의 천공구에 동시에 삽입하기가 용이하지 않은 문제점을 가지고 있다.
또한, 중대형 이차전지 모듈이 사용되는 디바이스들은 전기자전거, 전기자동차, 산업용 기기 등으로 크고 작은 많은 외력을 받게 되므로 구성요소들의 결합상태가 안정적이어야 한다. 그러나, 종래의 중대형 이차전지 모듈에서는 이러한 요건들을 모두 만족시키지는 못하고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 목적은 단위전지의 전압, 전류 등을 검출할 수 있는 센싱 보드 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 콤팩트한 구조의 전지모듈의 제조에 사용될 수 있는 센싱 보드 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 조립 과정이 용이하고 높은 신뢰성을 제공할 수 있도록 전기적 연결부위의 결합력이 우수한 센싱 보드 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 기타 목적은 상기와 같은 센싱 보드 어셈블리를 포함하는 것으로 구성된 이차전지 모듈을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 센싱 보드 어셈블리는, 이차전지인 다수의 단위전지들로 구성된 고출력 대용량의 전지모듈에서 단위전지의 전압, 전류 및/또는 온도를 검출할 수 있는 센싱 보드 어셈블리로서, 상기 단위전지들의 전극단자를 전기적으로 연결하며 인쇄회로기판에 접속하기 위한 연장 접속부를 포함하고 있는 커넥팅 부재, 및 상기 커넥팅 부재의 연장 접속부가 삽입되어 결합될 수 있는 천공구와 상기 천공구에 연결되는 회로가 형성되어 있는 인쇄회로기판을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 센싱 보드 어셈블리는, 전지모듈을 구성하는 단위전지들의 각 전극단자들을 커넥팅 부재에 의해 전기적으로 연결하고, 그러한 커넥팅 부재의 연장 접속부가 천공구에 삽입될 수 있도록 인쇄회로기판을 커넥팅 부재 상에 장착한 후 결합하는 간단한 공정에 의해, 단위전지의 전압, 전류 등의 측정이 가능한 전지모듈을 용이하게 제조할 수 있다.
인쇄회로기판의 천공구에 커넥팅 부재의 연장 접속부를 삽입한 후 결합하는 방식은 다양할 수 있으며, 바람직하게는 전기적 연결 뿐만 아니라 높은 기계적 결합력을 제공할 수 있도록, 연장 접속부는 천공구에 삽입된 상태에서 인쇄회로기판의 맞은 편으로 돌출될 수 있을 정도의 길이를 가지며, 그러한 돌출부위를 인쇄회로기판에 납땜할 수 있다.
상기 커넥팅 부재는 단위전지들의 각 전극단자들을 직렬 또는 병렬방식으로 연결할 수 있는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 전기적 연결을 위해 도전 성 소재로 되어 있다. 하나의 바람직한 예에서 상기 커넥팅 부재는 금속 판재로 되어 있으며, 연장 접속부는 그러한 금속 판재로부터 인쇄회로기판 방향으로 돌출되어 있는 구조일 수 있다.
바람직하게는, 인접한 단위전지들의 전극단자들을 전기적으로 절연시키기 위한 절연성 부재가 상기 전극단자들과 체결된 상태로 상기 인접 단위전지들의 전극단자들 사이에 개재되며, 커넥팅 부재는 상기 절연성 부재에 체결된 상태로 전극단자들의 전기적 연결을 이루는 구조일 수 있다. 그러한 절연성 부재로 인해, 절연된 상태로 단위전지들을 중첩시키는 조립 과정이 더욱 용이해지며, 전극단자들의 전기적 연결을 위한 커넥팅 부재의 설치가 용이하다.
절연성 부재가 단위전지의 전극단자들과 체결되는 방식은 다양할 수 있으며, 하나의 바람직한 예로서, 상기 단위전지의 전극단자에는 관통구가 형성되어 있고, 상기 절연성 부재의 대응 부위에는 체결 돌출부가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 따라서, 전극단자의 관통구에 절연성 부재의 체결 돌출부를 삽입하여 상호간의 결합을 이룰 수 있다. 바람직하게는, 상기 체결 돌출부에도 관통구가 형성되어 있어서, 절연성 부재를 개재한 상태로 적층되어 있는 전극단자들을 더욱 견고하게 결합시킬 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 절연성 부재는 적층된 단위전지들의 전극단자들 사이의 이격 공간과 일치하는 직사각형의 블록일 수 있다. 단위전지들이 적층된 상태에서 전극단자들 사이의 이격 공간은 직사각형의 형태를 나타내므로 그러한 이격 공간과 일치하는 직사각형 블록은 더욱 안정적이다.
상기 블록은 더욱 바람직하게는 단위전지의 양극단자가 체결되는 부위와 음극단자가 체결되는 부위가 상호 결합 및 분리가 가능하도록 구성된 두 개의 조립 단위체로 이루어져 있다.
상기 커넥팅 부재와 절연성 부재의 체결 방식 역시 다양할 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 커넥팅 부재는 단위전지(A)의 전극단자(a)에 접촉되는 제 1 단자 연결체와 단위전지(A)에 인접한 단위전지(B)의 전극단자(b)에 접촉되는 제 2 단자 연결체를 포함하고 있고, 상기 절연성 부재를 감싸는 형태로 결합되는 구조이거나, 또는 상기 절연성 부재에 결합용 홈이 형성되어 있고 그러한 홈에 삽입되는 형태로 결합되는 구조일 수 있다. 커넥팅 부재에 연결되는 단위전지(A)의 전극단자(a)와 단위전지(B)의 전극단자(b)가 서로 다른 전극일 때 직렬 연결이 이루어지며, 동일한 전극일 때 병렬 연결이 이루어진다.
더욱 바람직하게는, 제 1 단자 연결체와 제 2 단자 연결체가 상호 분리되어 있고, 각 단자 연결체는 해당 전극단자에 접촉되도록 절연성 부재에 결합될 수 있으며, 절연성 부재와의 결합 후 제 1 단자 연결체와 제 2 단자 연결체의 전기적 연결을 위한 도전성 부재를 상기 단자 연결체들에 결합시킨 구조일 수 있다. 상기 도전성 부재는 바람직하게는 퓨즈, 바이메탈, PTC 등과 같은 안전소자일 수 있다.
이와 같은 조립형 커넥팅 부재는, 모듈의 조립 과정에서 전극들이 전기적으로 연결되어 있지 않으므로 단락의 가능성을 크게 낮출 수 있고, 상기와 같이 안전소자의 연결을 가능하게 하며, 단위전지들의 초기 상태를 평준화하기 위한 병렬 레벨링 공정을 가능하게 하는 장점을 가지고 있다.
본 발명에 따른 센싱 보드 어셈블리의 또다른 구성요소인 인쇄회로기판은 상기에 정의되어 있는 바와 같이, 커넥팅 부재의 연장 접속부가 삽입되어 결합될 수 있는 다수의 천공구들을 포함하고 있으며 그러한 천공구들을 기판에 인쇄되어 있는 회로에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 그러한 인쇄회로기판은 통상 에폭시 수지 복합체로 제조되지만, 특별히 제한되는 것은 아니다.
인쇄회로기판에 형성되어 있는 상기 회로는 전지의 전압, 전류, 온도 등을 검출하여 전지모듈의 작동을 제어하는 회로부에 연결되며, 그러한 제어회로는 상기 인쇄회로기판에 포함될 수 있으며, 경우에 따라서는 별도의 부재에 포함되어 있을 수 있다.
본 발명에 따른 센싱 보드 어셈블리는 단위전지의 전극단자보다 기계적 강도가 우수한 커넥팅 부재의 연장 연결부와 인쇄회로기판을 접속시키므로, 단위전지의 전극단자와 인쇄회로기판의 전기적 연결시, 연결하고자 하는 부위간의 위치 정밀성이 우수하여 조립이 용이하며, 전기적 연결 상태에서 연결부위의 결합력이 우수하여 사용중에 진동, 충격 등의 외력이 작용하더라도 단락의 가능성이 현저히 낮다는 장점을 가진다. 또한, 전기적 연결을 위해 와이어 등을 사용하지 않으므로 구조가 단순하며, 단위전지의 전극단자 부위에 판상으로 결합되므로 콤팩트한 전지모듈의 제조가 가능하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 센싱 보드 어셈블리를 포함하고 있는 중대형 이차전지 모듈을 제공한다.
그러한 전지모듈은, 예를 들어, 충방전이 가능한 이차전지인 다수의 단위전 지들이 적층되는 플레이트와, 전지의 작동을 제어하는 회로부를 포함하는 것으로 구성된 구조일 수 있다.
상기 플레이트는 단위전지들이 적층될 수 있는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 단위전지들의 실장을 용이하게 할 수 있도록 단위전지의 크기에 상응하는 수납부가 형성되어 있는 케이스 구조일 수 있으며, 또한 그러한 케이스는 적층된 단위전지들의 상부와 하부를 각각 덮는 분리형 구조일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서 전지모듈은,
충방전이 가능한 이차전지인 다수의 단위전지들;
메인 보드 어셈블리가 부착되는 하단 수납부와 상기 단위전지들이 순차적으로 적층되는 상단 수납부를 포함하고 있는 장방형의 하부 케이스;
상기 하부 케이스 상에 적층된 단위전지들의 상단을 덮을 수 있는 하단 수납부를 포함하고 있는 장방형의 상부 케이스;
적층된 단위전지들의 전기적 연결을 행하고, 전지의 전압, 전류, 온도 등을 검출할 수 있는 상기 센싱 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 1 회로부;
상기 제 1 회로부와 전기적으로 연결되어 있고, 모듈을 전반적으로 제어하는 메인 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 2 회로부; 및
상기 제 2 회로부에 전기적으로 연결되어 있고, 과충전, 과방전, 과전류, 과열 등 전지의 비정상적인 작동시 전지의 작동을 제어하는 스위칭 소자를 포함하고 있는 제 3 회로부;
를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 전지모듈은 전체적으로 콤팩트한 구조를 가지고 있다. 구체적으로, 완성된 전지모듈의 폭은 단위전지와 거의 동일하거나 약간 큰 정도이고, 모듈의 길이는 양측면에 부착되는 제 1 회로부와 제 3 회로부의 폭만큼 단위전지보다 길며, 모듈의 두께는 적층된 단위전지들의 수와 제 2 회로부 및 상하부 케이스의 두께의 총합 정도이다. 따라서, 종래의 어떠한 전지모듈들보다도 작은 크기를 가지므로, 적용되는 외부 기기 또는 장치에 효과적으로 장착될 수 있다.
상기 단위전지는 충방전이 가능한 이차전지라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 예를 들어, 리튬 이차전지, 니켈-수소(Ni-MH) 전지, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 중량 대비 고출력을 제공하는 리튬 이차전지가 바람직하게 사용될 수 있다. 리튬 이차전지는 형태에 따라 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지 등으로 구분되는데, 그 중 높은 집적도로 적층될 수 있는 각형 전지와 파우치형 전지가 바람직하며, 가벼운 중량의 파우치형 전지가 특히 바람직하다.
본 발명의 전지모듈은 상부 케이스와 하부 케이스가 서로 분리되어 있어서, 필요에 따라 용량 및 출력을 변경하고자 할 때, 상부 케이스와 하부 케이스 사이에 단위전지를 추가 또는 제거하는 함으로써 유연한 설계가 가능하다.
상기 설명과 같이, 본 발명에 따른 전지모듈은 전지의 작동과 관련한 회로부들이 모듈을 감싼 형태로 연결되어 있어서 모듈의 전체적인 크기가 대폭 축소되어 있다.
본 발명에 따른 전지모듈은 고출력 대용량의 중대형 전지 시스템에 바람직하게 사용될 수 있으며, 상기 고출력 대용량의 범위는 특별히 한정되지 않는다.
예를 들어, 본 발명에 따른 전지는 전기자전거(E-bike), 전기오토바이, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 차량의 동력원, 기타 산업용 또는 가정용 기기 등 다양한 분야와 제품들의 전원으로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 전지모듈은 컴팩트한 구조 등으로 인해 전기자전거의 동력원으로 특히 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 실시예들에 따른 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하지만, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지모듈(100)은 상부 케이스(110), 하부 케이스(120), 다수의 단위전지들(200), 제 1 회로부(300), 제 2 회로부(400) 및 제 3 회로부(500)를 포함하고 있다. 단위전지들(200)은 서로 분리되어 있는 상부 케이스(110)와 하부 케이스(120) 사이에 적층되어 있으며, 제 1 회로부(300)는 전지모듈(100)의 정면에 위치하고, 제 2 회로부(400)는 저면에 위치하며, 제 3 회로부(500)는 배면에 위치한다.
상부 케이스(110)와 하부 케이스(120)가 분리되어 있으므로, 적층될 수 있는 단위전지(200)의 수는 그것에 의해 한정되지 않으며, 그러한 단위전지(200)의 적층 수에 따라 제 1 회로부(300)와 제 3 회로부(500)만을 변경하면, 소망하는 전기 용량과 출력의 전지모듈(100)을 용이하게 디자인할 수 있다. 또한, 단위전지들(200) 이 노출되어 있으므로, 충방전시 단위전지들(200)의 방열을 효율적으로 이룰 수 있다.
제 1 회로부(300)는 단위전지(200)의 전극단자 방향에 부착되어 있다. 제 1 회로부(300)는 단위전지들(200)을 병렬 또는 직렬로 연결하고 각 단위전지(200)로부터 전압을 검출하기 위한 본 발명에 따른 센싱 보드 어셈블리를 포함하고 있다.
단위전지들(200)은 제 1 회로부(300)를 경유하여 하부 케이스(120)의 하단에 장착되어 있는 제 2 회로부(400)에 전기적으로 연결되며, 전지모듈의 작동은 제 2 회로부(400)의 메인 보드 어셈블리에서 제어된다.
제 1 회로부(300)가 장착된 전지모듈(100)의 대향 측면에는 제 2 회로부(400)에 전기적으로 연결되어 있는 제 3 회로부(500)가 장착되어 있으며, 제 3 회로부(500)는 전지의 과충전, 과방전, 과전류 등을 제어하며 외부 기기(도시하지 않음)에 접속되는 전지모듈(100)의 최종 소자이다. 과충전, 과방전, 과전류 등의 제어는 제 3 회로부(500)에 포함되어 있는 FET와 같은 스위칭 소자(도시하지 않음)에 의해 실행될 수 있다.
도 2에는 커넥팅 부재가 연결되지 않은 상태에서 본 발명의 하나의 실시예에 따른 센싱 보드 어셈블리 중 인쇄회로기판의 정면도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 인쇄회로기판(600)은 장방형의 판상 구조물로서, 중앙에 넓은 개구(610)가 형성되어 있고, 그것의 일 측면에 다수의 천공구들(620)이 형성되어 있다. 각각의 천공구들(620)에는 기판(630)에 인쇄되어 있는 회로(640)가 연결되어 있으며, 회로(640)는 기판(630)의 한쪽 단부에 형성되어 있는 소켓(650)에 연결되어 있다. 소켓(650)은 그것에 연결될 수 있는 회로의 수에 따라 적절히 결정될 수 있다. 좌측 상단과 우측 하단에는 각각 단위전지들(도시하지 않음)의 직렬 연결시 최종 양극단자 및 음극단자가 연결되기 위한 다소 큰 크기의 천공구들(622, 624)이 형성되어 있다. 즉, 천공구(622, 624)에는 직렬 방식의 단위전지들에서 전기적 연결을 이루는 최종 양극 배선과 음극 배선이 연결된다.
개구(610)는 기판(630)의 반대편에 위치하는 단위전지 전극단자들의 연결부위를 개방하기 위해 형성되어 있으며, 이후 도 7에서 설명하는 바와 같이, 인쇄회로기판(600)이 장착된 상태에서 전극단자 부위에 퓨즈, 바이메탈, PTC 등의 안전소자를 개구(610)를 통해 장착할 수 있다.
도 3에는 도 1의 전지모듈에서 하부 케이스의 상면 사시도와 단위전지가 함께 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 하부 케이스(120)는 단위전지(200)의 외형에 거의 상응하는 크기의 구조물로서 단위전지(200)가 수납되는 상단 수납부(121)를 포함하고 있다. 하부 케이스(120)는 높은 강도와 전기 절연성의 부재로서, 바람직하게는 ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene), PC(Polycarbonate), PBT(Polybutylene Terephthalate) 등의 플라스틱 수지로 되어 있다.
하부 케이스(120) 상에 적층되는 파우치형 이차전지(200)는 전지 본체(210)의 상단에 양극단자(220)와 음극단자(230)가 각각 돌출되어 있다. 이들 전극단자들(220, 230)에는 관통구(240)가 천공되어 있어서, 다수의 단위전지들(200, 201)이 적층된 상태에서 별도의 체결부재, 예를 들어, 패스너(fastener: 130)가 관통구 (240)에 삽입되고 하부 케이스(120) 상의 고정홈(122)을 통해 그것의 하단면에서 너트(도시하지 않음) 등을 사용해 고정할 수 있다.
단위전지들(200, 201) 사이에는 전기적 절연을 위해 전극단자(220, 230) 상에 절연성 부재(700)가 실장되며, 절연성 부재(700)에는 전극단자들(220, 230)의 관통구(240)가 체결될 수 있는 돌출부(710)가 형성되어 있다. 돌출부(710)에는 관통구(720)가 형성되어 있어서, 돌출부(710)의 관통구(720)를 통과하는 패스너(130)가 전극단자들(220, 230)과 전기적 절연 상태가 유지될 수 있도록 하여 준다.
또한, 단위전지(200)의 본체(210)에는 양면 접착 테이프(250)가 각각 2 개씩 부착되어 있어서 적층되는 단위전지(201)과의 안정적인 결합을 더욱 보장한다. 더욱이, 적층된 단위전지들(200, 201)은 양면 접착 테이프(250)의 두께 만큼 이격되므로, 그러한 이격 홈은 충방전시 단위전지들(200, 201)의 체적 변화를 완충하며 충방전시 단위전지들(200, 201)의 발열을 효과적으로 발산시키는 역할을 한다.
도 4에는 본 발명의 전지모듈의 제조에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 조립형 절연성 부재의 결합전 상태도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 절연성 부재(700)는 암체결부(731)가 측면에 형성되어 있는 제 1 조립 단위체(730)와, 암체결부(731)에 대응하는 수체결부(741)가 측면에 형성되어 있는 제 2 조립 단위체(740)로 구성되어 있어서, 상호 결합 및 분리가 가능하다. 제 1 조립 단위체(730)와 제 2 조립 단위체(740)를 상호 결합시킨 상태의 절연성 부재(700)는 전체적으로 직사각형의 블록 형상을 나타낸다.
각 조립체(730, 340)의 상단 측부에는 상부에 적층될 또다른 절연성 부재(도 시하지 않음)와 결합될 수 있는 체결돌기(750)가 형성되어 있고 그에 대응하는 위치의 하단면에는 체결홈(752)이 형성되어 있다. 또한, 각 조립체(730, 340)의 상단 중앙에는, 도 3에서 설명한 바와 같이, 단위전지의 전극단자의 관통구(도시하지 않음)가 체결될 수 있는 돌출부(710)가 형성되어 있다.
제 1 조립 단위체(730)와 제 2 조립 단위체(740)가 결합된 상태의 절연성 부재(700)에 커넥팅 부재(도시하지 않음)가 결합될 수 있도록 제 2 조립 단위체(740)의 측면에는 만입부(743)가 형성되어 있다.
도 5에는 본 발명의 센싱 보드 어셈블리에 사용될 수 있는 하나의 실시예에 따른 한 쌍의 분리형 커넥팅 부재가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 분리형 커넥팅 부재(800)는 단위전극 전극단자들 중 하나의 전극단자(예를 들어, 양극단자)에 접속하는 제 1 단자 연결체(810)와 나머지 전극단자(예를 들어, 음극단자)에 접속하는 제 2 단자 연결체(820)로 이루어져 있다. 이들 단자 연결체들(810, 820)은 도전성 판상 소재로 되어 있다. 각각의 단자 연결체(810, 820)에는 절연성 부재의 돌출부(도 4의 710)에 체결될 수 있는 결합홈들(812, 822)이 형성되어 있다. 제 1 단자 연결체(810)에 형성되어 있는 결합홈(812)이 절연성 부재 돌출부의 위쪽 방향으로만 결합될 수 있도록 폐쇄형으로 되어 있음에 반하여, 제 2 단자 연결체(820)에 형성되어 있는 결합홈(822)은 절연성 부재 돌출부의 측면 방향으로도 결합이 가능할 수 있도록 개방형으로 되어 있다. 이에 대해서는 조립과정을 보여주는 도 6을 참조하여 추후 설명한다.
제 1 단자 연결체(810)에는 조립된 상태에서 인쇄회로기판(도 2의 600)에 연 결될 수 있도록 측면으로 돌출된 연장 접속부(815)가 또한 형성되어 있다.
각각의 단자 연결체(810, 820)에는 절연성 부재의 만입부(도 4의 743)에 삽입되어 결합될 수 있는 결합부(830, 840)가 형성되어 있다. 결합부(830, 840)는 전체적으로 판상의 소재로 되어 있는 본체의 측면을 일정한 높이를 부여한 상태에서 안쪽으로 접어 형성된 제 1 절곡부(831)와, 이를 다시 수직으로 접어 형성된 제 2 절곡부(832)를 포함하고 있다. 따라서, 절연성 부재의 만입부에 탄력적으로 결합될 수 있다.
도 6에는 도 4의 조립형 절연성 부재와 도 5의 분리형 커넥팅 부재를 사용하여 단위전지의 전극단자들을 연결하기 위한 일부 조립 공정도가 도시되어 있다. 즉, 도 6은 절연성 부재(700)와 커넥팅 부재(800)를 사용하여 단위전지들(200, 201)을 직렬방식으로 연결하는 과정을 보여주고 있다.
도 6을 참조하면, 커넥팅 부재의 제 1 단자 연결체(810)와 제 2 단자 연결체(820)는 각각의 결합부(830, 840)가 절연성 부재 중 제 2 조립 단위체(740)의 만입부(743)에 삽입되도록 결합된다. 제 1 단자 연결체(810)는 결합부(830)가 위쪽을 향하도록 정립된 상태로 만입부(743)에 삽입되고 판상 본체(814)가 제 1 조립 단위체(730)와 제 2 조립 단위체(740)의 하단면을 감싸도록 결합된다. 이러한 제 1 단자 연결체(810)의 결합 과정에서 결합부(830)의 측면 절곡부(831)는 만입부(743)의 하단에 길게 형성되어 있는 하부 유도홈(745)을 따라 도입된다. 제 1 단자 연결체(810)는 그것의 결합부(830)가 절연성 부재(700)의 만입부(743)에 삽입된 상태에서, 돌출부가 형성되어 있지 않은 또다른 절연성 부재(도시하지 않음)의 하단면에 장착되므로 결합홈(812)은 폐쇄형으로 만들어진다.
반면에, 제 2 단자 연결체(820)는 결합부(840)가 아래쪽을 향하도록 도립된 상태에서 만입부(743)로 삽입되고 판상 본체(824)가 제 2 조립 단위체(740)의 상단면을 감싸도록 결합된다. 이러한 제 2 단자 연결체(820)의 결합 과정에서 결합부(840)의 측면 절곡부(841)는 만입부(743)의 상단에 길게 형성되어 있는 상부 유도홈(744)을 따라 도입된다. 제 2 단자 연결체(820)는 그것의 결합부(840)가 절연성 부재(700)의 만입부(743)에 측면 방향으로 삽입되면서 돌출부(712)가 형성되어 있는 절연성 부재(700)의 상단면에 장착되므로 결합홈(822)은 개방형으로 만들어진다.
두 단자 연결체들(810, 820)은 절연성 부재(700)에 결합되었을 때에도, 도면에 도시되어 있는 바와 같이(결합전의 상태 도시함), 서로 분리된 상태를 유지한다. 제 1 단자 연결체(810)는 제 1 조립 단위체(730)의 하단면에 체결되는 단위전지(201)의 양극단자(221)와 접속되고, 제 2 단자 연결체(820)는 제 2 조립 단위체(740)의 돌출부(712)에 체결되는 단위전지(200)의 음극단자(230)에 접속된다.
조립 과정을 예시적으로 설명하면 다음과 같다.
제 2 조립 단위체(740)에 제 2 단자 연결체(820)를 결합시킨다(S1). 그런 다음, 제 1 단자 연결체(810)를 제 2 조립 단위체(740)에 결합시킨다(S2). 상기와 같이 제 2 조립 단위체(740)에 결합된 제 2 단자 연결체(820)의 결합홈(822)을 단위전지(200)의 음극단자(230)의 관통구(240)에 일치시킨다(S3). 그리고, 제 1 조립 단위체(730)를 제 2 조립 단위체(740)와 결합시킨다(S4). 최종적으로, 양극단 자(220)의 관통구(240)가 돌출부(710)에 체결되고 음극단자(230)의 관통구(240)가 돌출부(712)에 체결되도록, 단위전지(200)를 절연성 부재(700)에 실장한다(S5). 이때, 양극단자(220)는 돌출부(710)에 체결된 상태에서 그 위에서 결합될 또다른 제 1 단자 연결체(도시하지 않음)와 접촉하게 되고, 반면에, 음극단자(230)는 돌출부(712)에 체결되어 있는 제 2 단자 연결체(820)와 접촉하게 된다.
상기에서는 조립 과정의 하나의 예를 설명한 것이고, 상기의 조립 순서는 일부 변경될 수 있다. 예를 들어, 제 1 조립 단위체(710)와 제 2 조립 단위체(720)를 결합하는 과정(S4)을 우선 수행할 수도 있다.
도 7에는 도 6에서 조립과정 후 도 2의 인쇄회로기판을 연결하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다. 이해의 편의를 위하여, 단위전지의 전극단자들을 결합하고 있는 커넥팅 부재만을 일부 투시도로서 표시하였다.
절연성 부재에 결합된 상태에서 제 1 단자 연결체(810)의 연장 접속부(815)는 인쇄회로기판(600) 쪽으로 배향되어 있다. 제 1 단자 연결체(810)는 단위전지의 전극단자들의 대응 위치에 안정적으로 고정되어 있으므로, 연장 접속부들(815) 역시 정위치되어 있다. 따라서, 인쇄회로기판(600)의 천공구들(620)이 연장 접속부들(815)에 삽입될 수 있도록 인쇄회로기판(600)을 커넥팅 부재(800) 상에 위치시킴으로써, 조립의 첫번째 단계를 수행할 수 있다. 그러한 장착 후 연장 접속부(815)의 상단은 천공구(620)를 관통하여 기판(630)으로부터 돌출되는데, 이러한 돌출부위를 납땜함으로써 커넥팅 부재(800)와 인쇄회로기판(600)의 전기적 연결 및 물리적 결합이 이루어진다.
커넥팅 부재(800)와 인쇄회로기판(600)의 결합 후에도, 커넥팅 부재(800)의 제 1 단자 연결체(810)와 제 2 단자 연결체(820)는 서로 분리되어 있어서 절연상태를 유지한다. 따라서, 관련 소자들의 조립이 완료된 후 이들(810, 820)을 안전소자나 별도의 도전성 부재로 연결하여야 통전될 수 있다. 도 7에서는 안전소자의 일종인 퓨즈(900)를 사용하여 전기적 연결을 이루는 과정을 보여주고 있다.
퓨즈(900)는 과전류나 과열의 발생시 단전되는 부위를 포함하고 있는 본체(910)로부터 두 개의 접속단자들(920, 930)이 돌출되어 있다.
절연성 부재(700)에 결합된 상태에서 제 1 단자 연결체(810)와 제 2 단자 연결체(820)의 결합부(830, 840)에는 탄성적인 접속홈(833, 843)이 형성된다. 따라서, 퓨즈(900)의 접속단자들(920, 930)을 결합부(830, 840)의 접속홈(833, 843)에 삽입하여 전기적 접속을 이룰 수 있다. 해당 단위전지들(도시하지 않음)에 과전류 또는 과열이 발생하면 퓨즈(800)가 단전되므로, 모듈을 분해하지 않고 단전된 퓨즈(800)를 제거하고 새로운 퓨즈를 재차 결합시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 센싱 보드 어셈블리는 단위전지의 전극단자보다 기계적 강도가 우수한 커넥팅 부재의 연장 연결부와 인쇄회로기판을 접속 시키므로, 단위전지의 전극단자와 인쇄회로기판의 전기적 연결시, 연결하고자 하는 부위간의 위치 정밀성이 우수하여 조립이 용이하며, 전기적 연결 상태에서 연결부위의 결합력이 우수하여 사용중에 진동, 충격 등의 외력이 작용하더라도 단락의 가능성이 현저히 낮다는 장점을 가진다. 또한, 전기적 연결을 위해 와이어 등을 사용하지 않으므로 구조가 단순하며, 단위전지의 전극단자 부위에 판상으로 결합되므로 콤팩트한 전지모듈의 제조가 가능하다.
따라서, 본 발명 전지모듈은 전기자전거, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같이 중대형 전지모듈에 다양하게 적용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 이차전지인 다수의 단위전지들로 구성된 고출력 대용량의 전지모듈에서 단위전지의 전압, 전류 및/또는 온도를 검출할 수 있는 센싱 보드 어셈블리로서, 상기 단위전지들의 전극단자를 전기적으로 연결하며 인쇄회로기판에 접속하기 위한 연장 접속부를 포함하고 있는 커넥팅 부재, 및 상기 커넥팅 부재의 연장 접속부가 삽입되어 결합될 수 있는 천공구와 상기 천공구에 연결되는 회로가 형성되어 있는 인쇄회로기판을 포함하는 것으로 구성되어 있는 센싱 보드 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연장 접속부는 천공구에 삽입된 상태에서 인쇄회로기판의 맞은 편으로 돌출될 수 있을 정도의 길이를 가지며, 그러한 돌출부위를 인쇄회로기판에 납땜하여 결합하는 것을 특징으로 하는 센싱 보드 어셈블리.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 인접한 단위전지들의 전극단자들을 전기적으로 절연시키기 위한 절연성 부재가 상기 전극단자들과 체결된 상태로 상기 전극단자들 사이에 개재되며, 상기 커넥팅 부재는 상기 절연성 부재에 체결된 상태로 전극단자들의 전기적 연결을 이루는 것을 특징으로 하는 센싱 보드 어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 단위전지의 양극단자가 체결되는 부위와 음극단자가 체결되는 부위가 상호 결합 및 분리가 가능하도록 구성된 두 개의 조립 단위체 것을 특징으로 하는 센싱 보드 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 커넥팅 부재는 단위전지(A)의 전극단자(a)에 접촉되는 제 1 단자 연결체와 단위전지(A)에 인접한 단위전지(B)의 전극단자(b)에 접촉되는 제 2 단자 연결체를 포함하고 있고, 상기 절연성 부재를 감싸는 형태로 결합되거나, 또는 상기 절연성 부재에 결합용 홈이 형성되어 있고 그러한 홈에 삽입되는 형태로 결합되는 구조인 것을 특징으로 하는 센싱 보드 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 단자 연결체와 제 2 단자 연결체가 상호 분리되어 있고, 각 단자 연결체는 해당 전극단자에 접속되도록 절연성 부재에 결합될 수 있으며, 상기 절연성 부재와의 결합 후 제 1 단자 연결체와 제 2 단자 연결체의 전기적 연결을 위한 도전성 부재를 상기 단자 연결체들에 결합시킨 구조인 것을 특징으로 하는 센싱 보드 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 인쇄회로기판의 중앙부에는 커넥팅 부재에 결합한 상태에서 커넥팅 부재의 일부가 노출될 수 있는 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 센싱 보드 어셈블리.
  9. 제 1 항에 따른 센싱 보드 어셈블리를 포함하는 것으로 구성되어 있는 중대형 이차전지 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 모듈은, 충방전이 가능한 이차전지인 다수의 단위전지들이 적층되는 플레이트와, 전지의 작동을 제어하는 회로부를 포함하는 것으로 구성되어 있는 중대형 이차전지 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 이차전지 모듈은,
    충방전이 가능한 이차전지인 다수의 단위전지들;
    메인 보드 어셈블리가 부착되는 하단 수납부와 상기 단위전지들이 순차적으로 적층되는 상단 수납부를 포함하고 있는 장방형의 하부 케이스;
    상기 하부 케이스 상에 적층된 단위전지들의 상단을 덮을 수 있는 하단 수납부를 포함하고 있는 장방형의 상부 케이스;
    적층된 단위전지들의 전기적 연결을 행하고, 전지의 전압, 전류 및/또는 온도를 검출할 수 있는 상기 센싱 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 1 회로부;
    상기 제 1 회로부와 전기적으로 연결되어 있고, 모듈을 전반적으로 제어하는 메인 보드 어셈블리를 포함하고 있는 제 2 회로부; 및
    상기 제 2 회로부에 전기적으로 연결되어 있고, 과충전, 과방전, 과전류, 과열 등 전지의 비정상적인 작동시 전지의 작동을 제어하는 스위칭 소자를 포함하고 있는 제 3 회로부;
    로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 중대형 이차전지 모듈.
KR1020050122866A 2004-12-24 2005-12-14 이차전지 모듈용 센싱 보드 어셈블리 KR100746485B1 (ko)

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