KR102574922B1 - 배터리 팩 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 버스 바로 연결되는 배터리 팩 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 앞 열(A)과 뒷 열(B)로 병렬 배치되는 다수의 배터리 셀(100); 같은 방향으로 돌출되도록 타발되어 배터리 셀(100)의 전극단자(101)에 저항 용접되는 다수의 전극부(210)에 의해 전극단자(101)와 소정 간격(h)이 유지되며, 다수의 배터리 셀(100)을 복수 군으로 연결하여 통전시키는 다수의 상,하 버스 바(200a)(200b); 병렬로 놓인 배터리 셀(100)의 앞 열(A)과 뒷 열(B) 사이에 위치되도록 상,하 버스 바(200a)(200b)의 테두리 일측에 구비되는 접속부(220); 일단은 상,하 버스 바(200a)(200b)의 접속부(220)에 끼워져 접속되고, 타단은 배터리 관리시스템(BMS)의 센싱 와이어가 결착되는 와이어 커넥터(300); 로 이루어진 배터리 팩 및 이의 제조방법을 특징으로 한다.

Description

배터리 팩 및 이의 제조방법 {Battery packs and how they are manufactured}
본 발명은 이차 전지의 저항 용접을 위해 버스 바로 연결되는 배터리 팩 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수 개의 배터리 셀을 저항 용접으로 연결하는 버스 바의 구조를 개선하여 버스 바의 저항 용접부를 배터리 셀의 전극단자에 용접 시 안정적으로 쇼트를 방지할 수 있는 배터리 팩 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유자원의 고갈과 환경오염에 따른 대체에너지의 수요와 더불어 전기에너지를 축적하여 사용할 수 있는 배터리의 수요는 연료전지 등의 대체 에너지 저장시스템 등 다양한 분야로 확산하고 있다.
하이브리드(HEV) 자동차, 전기 자동차, 전기 자전거, 골프-카트 같은 전기차용으로는 주행속도 및 최대주행거리 증대를 목적으로 대용량의 리튬-이온, 리튬-폴리머, 니켈-수소 전지 등 전기 집적도(power density)가 높은 배터리 계열의 활용도가 높아지고 있다.
그리고 스마트폰, 노트북, 휴대용 개인정보 단말기(PDA: Personal Digital Assistants) 등의 휴대용 단말기는 충전 및 방전 가능한 이차 전지인 축전지가 포함된 배터리팩(일명 "이너 팩"(Inner Pack)이라고 함)을 단말기 일 측면에 탈착 가능하도록 결합하여 사용하기 때문에 이동성이 보장되고 휴대가 간편하여 널리 사용되고 있다.
이러한 에너지 저장장치인 배터리 팩은 하나의 배터리 팩에 다수의 전지 셀 어레이를 포함하며, 여러 개의 전지 셀 어레이를 원활하게 운영할 수 있도록 전압, 전류, 온도 등의 상태 정보를 모니터링하고 제어하기 위한 배터리 관리 시스템(Battery Management System; 이하 "BMS"라 칭함)를 구비하고 있다.
배터리의 충전상태(State of Charge)는 현재 얼마만큼의 에너지가 남아 있는가에 대한 의미로써, 배터리를 만(Full) 충전하여 저장 가능한 최대 용량(Battery Storage Capacity Maximum) 대비한 현재 충전된 상태에서 사용 가능한 저장(잔존)용량의 백분율을 "SOC(%)"로 정의하고 있고, 소수의 문헌에서는 SOC를 충전 잔량이라고도 부른다.
그리고 버스 바의 전극부로 연결되는 다수의 이차 전지용 배터리 팩은 버스 바의 접속부와 상기 배터리 관리 시스템(BMS)의 검출용 센싱 와이어를 와이어 커넥터로 접속시켜서 센싱 와이어를 통해 셀 밸런싱, 만방전 확인, SOS 추정 오차 등을 검출 하게 되며, 이를 위해서는 전압의 정확한 검출이 필요하다.
이와 같이 센싱 와이어를 통해 배터리 팩의 셀 밸런싱, 만방전 확인, SOS 추정 오차 등을 검출하는 선행기술로는 아래 선행기술문헌의 특허문헌 1에 개시된 대한민국 공개특허 10-2014-0107917호 '이차 전지용 연결부재 및 이를 포함하는 배터리 팩'이 있다.
특허문헌 1은 복수의 이차 전지; 삽입부가 형성된 커넥터가 단부에 구비된 센싱 와이어; 둘 이상의 이차 전지 사이를 전기적으로 접속시키되, 일측에 상기 커넥터의 삽입부에 삽입되는 돌출부가 형성되고 상기 돌출부의 일부가 벤딩된 연결 부재를 포함하여 구성된 것이다.
대한민국 공개특허 10-2014-0107917호 '이차 전지용 연결 부재 및 이를 포함하는 배터리 팩'
상기 특허문헌 1 은 복수의 배터리 셀(이차 전지)의 전극단자들을 버스 바(연결부재)로 저항 용접하여 전기적으로 접속시킬 때 배터리 셀의 전극단자와 버스 바가 근접된 상태로 저항 용접되는 구조이다. 이러한 특허문헌 1은 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 배터리 셀의 사용을 위한 통전 시 각 배터리 셀의 전극단자와 버스 바가 근접 상태를 이루고 있으면 절연 효과가 떨어져서 쇼트가 자주 발생된다.
이러한 쇼트 발생은 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)의 센싱 와이어를 통한 셀 밸런싱, SOC 추정 등을 위한 전압 상태 검출의 정확성을 떨어뜨리게 되므로 이를 방지하려면 버스 바와 배터리 셀 사이에 가스켓을 구비하여야 하며, 이는 가스켓 비용과 이를 구비하기 위한 추가공정으로 원가 상승의 요인이 많은 문제점이 있다.
그리고, 상기 특허문헌 1 처럼 연결부재(버스 바)를 이차 전지에 저항 용접하였을 때 센싱 와이어와 이를 결속하는 돌출부가 모두 배터리 셀의 둘레에 돌출되므로 배터리 팩의 폭을 더 소형화하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 특허문헌 1의 문제점을 개선하기 위해 개발된 것으로서, 본 발명은 복수의 배터리 셀을 버스 바의 전극부에 저항 용접할 때 배터리 셀의 전극단자와 버스 바가 일정 거리 이격되는 절연 상태를 유지하도록 함으로서 통전 시 쇼트가 발생되지 않아 배터리 관리 시스템(BMS)의 센싱 와이어를 통한 전기적 특성을 정확히 검출할 수 있는 배터리 팩 및 이의제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 버스 바를 복수의 배터리 팩에 저항 용접 시 센싱 와이어와 결속되는 버스 바의 접지부가 배터리 팩이나 버스 바의 외측으로 돌출되지 않도록 함으로서 배터리 팩의 폭 크기를 최대한 줄일 수 있도록 하는데 있다.
이러한 본 발명은 상기 목적의 달성을 위해, 앞 열과 뒷 열로 병렬 배치되는 다수의 배터리 셀; 같은 방향으로 돌출되도록 타발되어 배터리 셀의 전극단자에 저항 용접되는 다수의 전극부에 의해 전극단자와 소정 간격(h)이 유지되며, 다수의 배터리 셀을 복수 군으로 연결하여 통전시키는 다수의 상,하 버스 바; 병렬로 놓인 배터리 셀의 앞 열과 뒷 열 사이에 위치되도록 상,하 버스 바의 테두리 일측에 구비되는 접속부; 일단은 상,하 버스 바의 접속부에 끼워져 접속되고, 타단은 배터리 관리시스템(BMS)의 센싱 와이어가 결착되는 와이어 커넥터; 로 이루어져서 배터리 셀의 전극단자와 버스 바가 소정 간격에 의한 절연 상태로 통전 시 쇼트가 발생되지 않도록 배터리 팩을 구성함으로서 달성될 수 있다.
그리고, 다수의 전극부가 상,하 버스 바에 일 방향으로 돌출되도록 타발되고, 테두리 일측에 접속부가 구비되는 상,하 버스 바 준비단계; 다수의 배터리 셀을 앞 열과 뒷 열로 병렬 배치하는 배터리 셀 병렬 배치단계; 상기 병렬 배치된 다수의 배터리 셀을 복수 군별로 연결하도록 상단의 전극단자에 상 버스 바를 저항 용접하는 단계; 상 버스 바로 연결된 일측 군의 배터리 셀과 타측 군의 배터리 셀 일부가 서로 연결되도록 상 버스 바와 지그 재그 형태로 배터리 셀 하단의 전극단자에 하 버스 바를 저항 용접하는 단계; 상기 상,하 버스 바의 접속부에 와이어 커넥터의 일단을 끼워 접속하고, 와이어 커넥터의 타단에 센싱 와이어를 연결하는 단계;로 배터리 팩의 제조방법을 구성함으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 상기 다른 목적은 상,하 버스 바에 구비되는 다수의 전극부를 서로 대향된 형태를 이루도록 타발 형성하여 배터리 셀의 전극단자와 상,하 버스 바 간에 형성되는 소정 간격(h)이 균형있게 유지되도록 함으로서 달성될 수 있다.
이러한 본 발명은 배터리 셀의 전극단자에 저항 용접되는 전극부를 제외한 버스 바가 전극단자와 소정의 간격이 떨어진 상태를 양호하게 유지하고 있으므로 안정적으로 쇼트 발생됨을 방지할 수 있다.
그리고 배터리 셀의 전극단자를 통전시키는 버스 바에 와이어 커넥터 접속용 접속부가 일체로 형성되는 구조이므로 제조에 따른 공정 비용을 줄일 수 있고, 와이어 커넥터와 센싱 와이어가 병렬 배치된 앞 열과 뒷 열의 배터리 셀 사이에서 접속되므로 배터리 팩의 폭 크기를 줄일 수 있어 제조 단가 및 품질 향상을 이룰 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의해 제조된 배터리 팩의 구조를 일례로 보인 사시도
도 2는 본 발명의 배터리 팩에 사용되는 버스 바의 구조를 보인 사시도
도 3은 본 발명에서 배터리 셀과 버스 바가 소정 간격 유지되면서 저항 용접된 상태를 일부 확대하여 보인 측면도
도 4는 본 발명에 의한 배터리 팩 제조과정을 단계별로 보인 블록도
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배터리 팩 및 이의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의해 제조된 배터리 팩의 구조를 일례로 보인 사시도이고, 도 2는 본 발명의 배터리 팩에 사용되는 버스 바의 구조를 보인 사시도이며, 도 3은 본 발명의 배터리 셀과 버스 바가 용접된 상태를 확대하여 보인 측면도이다.
이에 도시된 본 발명의 배터리 팩은, 배터리 셀(100)과 상,하 버스 바(200a)(200b) 및 접속부(220)와 와이어 커넥터(300)로 구성된다.
상기 배터리 셀(100)은 양단에 전극단자(101)가 구비되며, 다수 개로 구성된 각 군이 다수 군을 이루도록 앞 열(A)과 뒷 열(B)에 같은 갯수로 병렬 배치된다.
일례로 상기 배터리 셀(100)이 2개, 4개, 4개가 각 군을 이루어 3개군을 이루도록 하려면 앞,뒤쪽에 배터리 셀(100) 10개를 병렬 배치하면 되고, 배터리 셀(100)이 4개씩 3개군을 이루도록 하려면 앞,뒤쪽에 12개의 배터리 셀(100)을 병렬 배치하면 된다.
상,하 버스 바(200a)(200b)는 저항 용접부(211)가 있는 다수의 전극부(210)를 일렬로 타발하여 형성하되 각 전극부(210)가 모두 같은 방향(일 방향)을 향하여 일정 높이 돌출되도록 형성되며, 저항 용접부(211)를 전극단자(101)에 저항 용접하면 다수의 배터리 셀(100)을 복수 군으로 나누어 주면서 통전시켜 준다.
그리고 배터리 셀(100)의 전극단자(101)에 상,하 버스 바(200a)(200b)의 전극부(210)를 저항 용접하여 전기적으로 연결할 때 상,하 버스 바(200a)(200b)에서 돌출된 전극부(210)의 돌출된 높이만큼 배터리 셀(100)의 전극단자(101)와 상,하 버스 바(200a)(200b) 간에는 소정 간격(h)이 유지된다.
상기와 같이 소정 간격(h)이 유지되면 배터리 셀(100)의 전극단자(101)와 상,하 버스 바(200a)(200b) 간에 절연 상태가 양호하게 될 수 있어서 상,하 버스 바(200a)(200b)를 통한 통전 시 쇼트가 발생되지 않게 된다.
여기서 상,하 버스 바(200a)(200b)에 구비되는 다수의 전극부(210)는 서로 대향된 형태를 이루도록 타발 형성함이 바람직하다. 그러면 배터리 셀(100)의 전극단자(101)와 상,하 버스 바(200a)(200b) 사이에 소정 간격(h)이 균형있게 유지되므로 절연 효과를 높여 준다.
상기 접속부(220)는 각 버스 바의 테두리 일측에 길이 방향으로 돌출시켜 구비하면 된다. 그리고 와이어 커넥터(300)는 배터리 관리시스템(BMS)의 센싱 와이어(도면에 미도시)에 일단이 결착되고, 타단은 상,하 버스 바(200a)(200b)의 접속부(220)에 끼워져 접속된다.
여기서 상,하 버스 바(200a)(200b)는 배터리 셀(100)의 앞 열(A)에 사용 시 접속부(220)가 뒤쪽 테두리 일측에 위치되게 하고, 뒷 열(B)에 사용 시는 접속부(220)가 앞쪽 테두리 일측에 놓이도록 하면 앞 열(A)의 접속부(220)와 뒷 열(B)의 접속부(220)가 모두 병렬로 배치된 앞,뒤쪽 배터리 셀(100) 사이의 공간에 놓이게 되므로 그만큼 배터리 팩의 폭 크기를 최대한 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명에 의한 배터리 팩 제조과정을 단계별로 보인 블록도로서, 이에 도시된 본 발명의 배터리 팩 제조 방법은 상,하 버스 바 준비단계, 배터리 셀 병렬 배치단계, 상 버스 바 저항 용접단계, 하 버스 바 저항 용접단계, 센싱 와이어 접속단계로 구성됨을 특징으로 한다.
상기 상,하 버스 바 준비단계는 같은 방향으로 돌출되도록 다수의 전극부(210)가 타발되어 구비되고, 테두리 일측에 접속부(220)가 길이 방향으로 구비되도록 상,하 버스 바(200a)(200b)를 만들어 준비하는 단계이다.
상기 배터리 셀 병렬 배치단계는 양단에 전극단자(101)가 있는 다수 개의 배터리 셀(100)을 앞 열(A)과 뒷 열(B)이 병렬로 복수의 군을 이루도록 배터리 셀(100)을 병렬 배치하는 단계이다.
여기서 일례로 상기 배터리 셀(100)이 2개, 4개, 4개가 각 군을 이루어 3개군을 이루도록 하려면 앞,뒤쪽에 10개의 배터리 셀(100)을 병렬 배치하면 되고, 배터리 셀(100)이 4개씩 3개군을 이루도록 하려면 앞,뒤쪽에 12개의 배터리 셀(100)을 병렬 배치하면 된다.
상기 상 버스 바 저항 용접단계는 병렬 배치된 다수의 배터리 셀(100)들이 복수의 군을 이루도록 상단의 전극단자(101)에 상 버스 바(200a)를 저항 용접할 때, 앞 열(A)의 배터리 셀(100)에 용접되는 상 버스 바(200a)는 접속부(220)가 뒷쪽에 위치되게 용접하고, 뒷 열(B)의 배터리 셀(100)에 용접되는 상 버스 바(200a)는 접속부(220)가 앞쪽에 위치되게 용접하는 단계이다.
상기 하 버스 바 저항 용접단계는 상 버스 바(200a)로 연결된 일측 군의 배터리 셀(100)과 타측 군의 배터리 셀(100) 일부가 서로 연결되도록 상 버스 바(200a)와 지그 재그 형태로 배터리 셀(100) 하단의 전극단자(101)에 하 버스 바(200b)를 용접할 때, 앞 열(A)의 배터리 셀(100)에 용접되는 하 버스 바(200b)는 접속부(220)가 뒷쪽에 위치되게 하고, 뒷 열(B)의 배터리 셀(100)에 용접되는 하 버스 바(200b)는 접속부(220)가 앞쪽에 위치되도록 저항 용접하는 단계이다.
그리고 와이어 커넥터(300)를 통한 센싱 와이어 접속단계는 상기 상,하 버스 바 저항 용접단계를 행한 후 상,하 버스 바(200a)(200b)의 접속부(220)에 센싱 와이어에 일단이 결착된 와이어 커넥터(300)의 타단을 끼워서 앞 열(A)과 뒷 열(B)의 배터리 셀(100) 사이에서 접속하는 단계로서, 이에 의해 본 발명의 패터리 팩이 완성된다.
여기서 상기 상 버스 바 저항 용접단계와 하 버스 바 저항 용접단계는 그 단계별 순서를 바꾸어 행하여도 무방하다.
이러한 본 발명의 패터리 팩은 복수 군의 배터리 셀(100)들을 전기적으로 연결하기 위해 상,하 버스 바(200a)(200b)를 통해 전극단자(101)에 통전 시 상,하 버스 바(200a)(200b)에서 돌출된 전극부(210)의 돌출 높이만큼 배터리 셀(100)의 전극단자(101)와 상,하 버스 바(200a)(200b) 간에 유지되는 소정 간격(h)으로 인해 배터리 셀(100)의 전극단자(101)와 상,하 버스 바(200a)(200b) 간에 절연 상태가 양호하게 유지되므로 상,하 버스 바(200a)(200b)를 통한 통전 시 쇼트가 발생되지 않는다.
그리고 앞 열(A)과 뒷 열(B)의 배터리 셀(100)들을 연결하고 있는 상,하 버스 바(200a)(200b)의 접속부(220)에 연결된 와이어 커넥터(300)와 배터리 관리시스템(BMS)의 센싱 와이어를 통해 전기적 특성을 정확히 읽을 수 있게 된다.
여기서 상,하 버스 바(200a)(200b)에 일렬로 구비되는 다수의 전극부(210)는 서로 대향된 형태를 이루도록 타발 형성된 것이므로 저항 용접 시 배터리 셀(100)의 전극단자(101)와 균형있는 절연 상태가 유지될 수 있다.
또한 상 버스 바(200a)와 하 버스 바(200b)를 저항 용접하는 단계때 병렬로 배치된 배터리 셀(100)의 앞 열(A)과 뒷 열(B) 사이에 놓인 접속부(220)를 통해 와이어 커넥터(300)와 센싱 와이어가 모두 연결되므로 배터리 팩의 폭 크기를 최대한 콤팩트한 사이즈로 줄일 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다 할 것이다.
100 : 배터리 셀 101 : 전극단자
A : 앞 열 B : 뒷 열
200a, 200b: 상,하 버스 바 210 : 전극부
220 : 접속부 300 : 와이어 커넥터
h : 소정 간격

Claims (5)

  1. 다수의 배터리 셀로 배터리 팩을 구성함에 있어서,
    앞 열(A)과 뒷 열(B)로 병렬 배치되는 다수의 배터리 셀(100);
    같은 방향으로 돌출되도록 타발되어 배터리 셀(100)의 전극단자(101)에 저항 용접되는 다수의 전극부(210)에 의해 전극단자(101)와 소정 간격(h)이 유지되며, 병렬 배치된 다수의 배터리 셀(100)을 복수 군으로 연결하여 통전시키는 다수의 상,하 버스 바(200a)(200b);
    앞 열(A)에 사용시는 상,하 버스바(200a)(200b)의 뒷쪽 테두리 일측에 위치되고, 뒷 열(B)에 사용시는 상,하 버스바(200a)(200b)의 앞쪽 테두리 일측에 위치되어 배터리 셀(100)의 앞 열(A)과 뒷 열(B) 사이에 구비되는 접속부(220);
    배터리 셀(100)의 앞 열(A)과 뒷 열(B) 사이에서 일단은 배터리 관리시스템(BMS)의 센싱 와이어가 결착되고, 타단은 상,하 버스 바(200a)(200b)의 접속부(220)에 끼워져 서로 연결시키는 와이어 커넥터(300);
    로 이루어져서 배터리 셀의 전극단자(101)와 버스 바가 소정 간격(h)에 의한 절연 상태로 통전 시 쇼트가 발생되지 않도록 하고, 배터리 팩의 폭 크기를 콤팩트한 사이즈로 줄일 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상,하 버스 바(200a)(200b)에 구비되는 다수의 전극부(210)는 서로 대향된 형태를 이루도록 타발 형성하여
    배터리 셀의 전극단자(101)와 상,하 버스 바(200a)(200b) 간에 소정 간격(h)이 균형있게 유지되도록 한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 배터리 팩의 제조방법에 있어서,
    상,하 버스 바(200a)(200b)에 일 방향으로 돌출되도록 다수의 전극부(210)가 타발되어 구비되고, 테두리 일측에 접속부(220)가 구비되게 하는 상,하 버스 바 준비단계;
    다수의 배터리 셀(100)을 앞 열(A)과 뒷 열(B)로 병렬 배치하는 배터리 셀 병렬 배치단계;
    상기 병렬 배치된 다수의 배터리 셀(100)을 복수 군 별로 연결하도록 상단의 전극단자(101)에 상 버스 바(200a)를 저항 용접할 때, 앞 열(A)의 배터리 셀(100)에 용접되는 상 버스 바(200a)는 접속부(220)가 뒷쪽에 위치되게 용접하고, 뒷 열(B)의 배터리 셀(100)에 용접되는 상 버스 바(200a)는 접속부(220)가 앞쪽에 위치되게 저항 용접하는 상 버스바 저항 용접단계;
    상 버스 바(200a)로 연결된 일측 군의 배터리 셀(100)과 타측 군의 배터리 셀(100) 일부가 서로 연결되도록 상 버스 바(200a)와 지그 재그 형태로 배터리 셀(100) 하단의 전극단자(101)에 하 버스 바(200b)를 용접할 때, 앞 열(A)의 배터리 셀(100)에 용접되는 하 버스 바(200b)는 접속부(220)가 뒷쪽에 위치되게 하고, 뒷 열(B)의 배터리 셀(100)에 용접되는 하 버스 바(200b)는 접속부(220)가 앞쪽에 위치되도록 저항 용접하는 하 버스바 저항 용접단계;
    와이어 커넥터(300)로 상,하 버스 바(200a)(200b)의 접속부(220)와 센싱 와이어를 앞 열(A)과 뒷 열(B)의 배터리 셀(100) 사이에서 연결하는 센싱 와이어 접속 단계;
    로 이루어져서 통전 시 쇼트의 발생 우려 없이 센싱 와이어를 통해 전기적 특성을 정확히 읽을 수 있도록 하고, 배터리 팩의 폭 크기를 콤팩트한 사이즈로 줄일 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상,하 버스 바(200a)(200b)에 일렬로 구비되는 다수의 전극부(210)는 서로 대향된 형태를 이루도록 타발 형성하여
    저항 용접 시 배터리 셀(100)의 전극단자(101)와 균형있는 절연 상태 유지가 되게 한 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조방법.
  5. 삭제
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