KR20140131862A - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 자동차, 무정전전원장치(UPS, Uninterrupted power supply), 스마트 그리드(Smart grid)용 전원장치 등에 이용될 수 있으며 셀 발란싱(Cell balancing)을 위한 배터리 팩을 개시한다.
본 발명의 배터리 팩은 제1 전극단자와 제2 전극단자를 구비한 복수의 배터리 셀, 배터리 셀의 일면에 상기 배터리 셀과 대응되는 수로 결합되며 제1 전극단자와 제2 전극단자에 연결되는 인쇄회로기판, 배터리 셀들의 제1 전극단자와 인접하는 또 다른 제1 전극단자를 서로 연결하는 제1 연결단자, 그리고 배터리 셀들의 제2 전극단자와 인접하는 또 다른 제2 전극단자를 서로 연결하는 제2 연결단자를 포함하며,
인쇄회로기판에는 배터리 셀에 일대일 대응하며 배터리 셀을 충전하는 셀 충전기, 셀 충전기에 일대일 대응하여 연결되며 셀 충전기를 제어하는 충전 제어기, 충전 제어기에 연결되는 연결 커넥터, 연결 커넥터에 끼워져 인쇄회로기판과 인접하여 배치되는 또 다른 인쇄회로기판을 연결하는 커넥터 케이블, 그리고 외부에 배치되는 배터리 관리장치와 충전 제어기가 유선 또는 무선으로 통신을 하는 통신부가 제공된다.

Description

배터리 팩{Battery pack}
본 발명은 전기 자동차, 무정전전원장치(UPS, Uninterrupted power supply), 스마트 그리드(Smart grid)용 전원장치 등에 이용될 수 있으며 셀 발란싱(Cell balancing)을 위한 배터리 팩에 관한 것이다.
일반적으로 충전용 배터리(Battery)는 전기자동차(Electric Vehicle)의 구동원으로 사용될 수 있으며, 또한 상용 전원에서 일어날 수 있는 전원 장애를 극복하여 안정된 전력을 공급하는 무정전전원장치로도 이용될 수 있다. 그리고 배터리는 스마트 그리드용 전원장치로도 이용될 수 있다.
이러한 배터리는 용량에 따라 다수의 배터리 셀(Battery cell)을 일체로 연결하여 배터리 팩(Battery pack) 형태로 이루어져 있다.
기존의 배터리 팩은 충전시 배터리 핵을 구성하고 있는 배터리 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 한 개의 충전기로 충전을 하고 배터리 셀의 편차를 수동적으로 관리하기 때문에 배터리 셀들의 편차에 의해 배터리 팩의 수명이 단축되는 문제점이 있다.
또한, 기존의 배터리 팩은 개별적인 배터리 셀을 분리할 수 없는 어셈블리 형태로 이루어져 배터리 셀이 한 개라도 불량이 발생할 경우 배터리 팩 전체를 사용하지 못하게 되어 수명이 단축되고 자원의 낭비가 커지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결한 기술은 본 출원인이 출원하여 등록된 한국특허공보 제10-1000550호에 개시되어 있다. 그러나 종래의 배터리 팩은 상술한 문제점을 해결하면서도 더욱 컴팩트하게 제작할 필요가 있으나, 이에 충분하게 만족하지 못하는 문제점이 있다.
한국특허공보 제10-1000550호(2012. 12. 06. 등록)
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 셀 발란싱을 원활하게 수행하면서도 조립 비용을 줄이고 배터리 셀 제조회사에서 셀 포메이션을 사용할 때 배터리 셀의 생산 단가를 줄일 수 있는 배터리 팩을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 셀 그레이딩(Cell grading)을 위한 설비 비용과 셀 그레이딩에서 나오는 불량 배터리 셀을 줄여 생산 비용을 절감할 수 있는 배터리 팩을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 각 배터리 셀에 개별적으로 충전기를 연결하여 충전을 각 배터리 셀 별로 관리하면서도 전체적인 크기를 줄여 컴팩트하게 제조할 수 있는 배터리 팩을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1 전극단자와 제2 전극단자를 구비한 복수의 배터리 셀, 상기 배터리 셀의 일면에 상기 배터리 셀과 대응되는 수로 결합되며 상기 제1 전극단자와 상기 제2 전극단자에 연결되는 인쇄회로기판, 상기 배터리 셀들의 상기 제1 전극단자와 인접하는 또 다른 제1 전극단자를 서로 연결하는 제1 연결단자, 그리고 상기 배터리 셀들의 상기 제2 전극단자와 인접하는 또 다른 제2 전극단자를 서로 연결하는 제2 연결단자를 포함하며,
상기 인쇄회로기판에는 상기 배터리 셀에 일대일 대응하며 상기 배터리 셀을 충전하는 셀 충전기, 상기 셀 충전기에 일대일 대응하여 연결되며 상기 셀 충전기를 제어하는 충전 제어기, 상기 충전 제어기에 연결되는 연결 커넥터, 상기 연결 커넥터에 끼워져 상기 인쇄회로기판과 인접하여 배치되는 또 다른 인쇄회로기판을 연결하는 커넥터 케이블, 그리고 외부에 배치되는 배터리 관리장치와 상기 충전 제어기가 유선 또는 무선으로 통신을 하는 통신부가 제공된 배터리 팩을 제공한다.
상기 인쇄회로기판에는 상기 배터리 셀의 온도를 측정하여 상기 충전 제어기에 측정된 값을 전송하는 온도 센서가 제공되는 것이 바람직하다.
상기 인쇄회로기판에는 반도체 스위치 소자와 전류 감지기가 제공되며, 상기 반도체 스위치 소자와 상기 전류 감지기는 상기 배터리 셀과 상기 셀 충전기 사이에 연결되며 상기 충전 제어기에 의해 제어되는 것이 바람직하다.
상기 인쇄회로기판에는 펄스 폭 변조 컨버터가 제공되며, 상기 펄스 폭 변조 컨버터는 상기 셀 충전기에 연결되고 상기 충전 제어기에 의해 제어되는 것ㅇ 바람직하다.
상기 통신부는 상기 배터리 관리장치에 유선으로 연결되는 통신 커넥터로 이루어지거나 또는 무선통신모듈과 안테나로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 인쇄회로기판은 상기 1개로 이루어지거나 또는 2개 이상으로 나뉘어져 배치되며, 2개 이상으로 나누어져 이루어지는 경우 상기 제1 전극단자와 상기 제2 전극단자에 겹쳐진 상태로 끼워지며 상기 인쇄회로기판에 제공되는 제1 기판 연결 커넥터 또는 제2 기판 연결 커넥터에 의해 겹쳐져 배열된 인쇄회로기판들이 연결되는 것이 바람직하다.
상기 제1 전극단자와 상기 제2 전극단자는 외주면에 나사산이 제공되고, 상기 인쇄회로기판이 상기 제1 전극단자와 상기 제2 전극단자에 끼워지고, 볼트가 상기 제1 전극단자와 상기 제2 전극단자에 결합되어 상기 인쇄회로기판이 고정되는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 실시예는 셀 발란싱을 원활하게 수행하면서도 조립 비용을 줄이고 배터리 셀 제조회사에서 셀 포메이션을 사용할 때 배터리 셀의 생산 단가를 줄일 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 셀 그레이딩(Cell grading)을 위한 설비 비용과 셀 그레이딩에서 나오는 불량 배터리 셀을 줄여 생산 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 각 배터리 셀에 개별적으로 충전기를 연결하여 충전을 각 배터리 셀 별로 관리하면서도 셀 충전기와 충전 제어기 등이 수용되는 인쇄회로기판을 배터리 셀의 일면에 결합시켜 전체적인 크기를 줄여 컴팩트하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 배터리 모듈(Battery module)이 결합된 상태의 배터리 팩(Battery pack)을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 배터리 모듈을 분해하여 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 배터리 셀을 충전하는 주요구성을 도시한 블럭도이다.
도 4는 도 3의 다른 예시를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예의 다른 예시를 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 사시도로, 배터리 팩을 도시하고 있다. 그리고 도 2는 배터리 팩을 이루는 배터리 모듈(1, Battery module) 중의 하나를 도시한 분해 사시도이다.
본 발명의 실시예에서 전원을 공급할 수 있는 기본적인 단위를 이루는 것을 배터리 모듈(1, Battery module, 도 2에 도시하고 있음)이라 하고, 이러한 배터리 모듈(1)이 적층되어 분해 조립이 가능한 상태로 결합된 것을 배터리 팩(도 1 참조)이라고 하기로 한다.
본 발명의 실시예의 배터리 팩은 다수의 배터리 모듈(1)이 적층되어 이루어질 수 있다. 본 발명의 실시예의 배터리 모듈(1)은 배터리 셀(3), 인쇄회로기판(5, 6), 제1 연결단자(7), 그리고 제2 연결단자(9)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예의 배터리 셀(3)은 배터리를 이루는 가장 기본적인 단위로 이루어지는 전지(단전지 또는 싱글 셀(Single cell)이라고 함)이다. 이러한 배터리 셀(3)은 대략 사각 박스 형상으로 이루어질 수 있다. 그러나 배터리 셀(3)의 형상은 이러한 예에 한정되는 것은 아니며 다른 예시로 원통형이나 다각형의 바 형태와 같이 다양한 모양으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 배터리 셀(3)에는 일면에 제1 전극단자(11)와 제2 전극단자(13)가 제공될 수 있다. 제1 전극단자(11)는 양극 또는 음극으로 이루어질 수 있으며, 제2 전극단자(13)는 제1 전극단자(11)와 반대의 극성으로 이루어질 수 있다. 이러한 제1 전극단자(11)와 제2 전극단자(13)는 외부로 전원을 인출하거나 또는 배터리 셀(3)을 충전하는데 이용될 수 있다. 제1 전극단자(11)와 제2 전극단자(13)는 외주면에 나사산이 제공된 나사부재로 이루어질 수 있다.
배터리 셀(3)의 일측에는 배터리 셀(3)과 대응대는 수로 인쇄회로기판(5, 6)이 결합될 수 있다. 인쇄회로기판(5, 6)은 배터리 셀(3)의 제1 전극단자(11)와 제2 전극단자(13)에 직접 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 인쇄회로기판(5, 6)은 2개로 이루어진 예를 도시하여 설명하고 있으나, 1개로 이루어지거나 또는 3개 이상이 겹쳐져 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예의 설명에서는 인쇄회로기판(5, 6)이 2개가 겹쳐져 배열되는 예를 도시하여 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예의 인쇄회로기판(5, 6)은 관통하는 구멍(5a, 5b, 6a, 6b)이 제공되어 순차적으로 제1 전극단자(11)와 제2 전극단자(13)에 끼워질 수 있다.
인쇄회로기판(5, 6) 중 배터리 셀(3) 측에 배치되는 인쇄회로기판(5)에는 제1 기판 연결 커넥터(5c, 5d)가 제공된다(도 2 참조). 그리고 인쇄회로기판(5, 6) 중 배터리 셀(3)의 바깥쪽에 결합되는 인쇄회로기판(6)에는 제2 기판 연결 커넥터(6c, 6d)가 결합된다. 제1 기판 연결 커넥터(5c, 5d)와 제2 기판 연결 커넥터(6c, 6d)는 마주하여 배치되며 끼움 결합되어 인쇄회로기판(5, 6)을 서로 겹쳐서 배열함과 동시에 전기적으로 연결한다.
인쇄회로기판(5, 6) 기판 중 배터리 셀(3)을 기준으로 바깥 쪽에 배치되는 인쇄회로기판(6)에는 연결 커넥터(15)가 제공된다. 연결 커넥터(15)는 인쇄회로기판(6)과 인접하여 배치되는 또 다른 인쇄회로기판(6)에 제공되는 연결 커넥터(15)에 커넥터 케이블(16)에 의해 연결된다.
한편, 제1 전극단자(11)와 인접하여 배치되는 또 다른 제1 전극단자(11)는 제1 연결단자(7)에 의해 연결될 수 있다. 그리고 제2 전극단자(13)와 인접하여 배치되는 또 다른 제2 전극단자(13)는 제2 연결단자(9)에 의해 연결될 수 있다. 즉, 제1 연결단자(7)와 제2 연결단자(9)는 배터리 셀(3)을 직렬 또는 병렬로 연결하는 역할을 수행할 수 있다.
한편, 인쇄회로기판(5, 6)에는 셀 충전기(17), 충전 제어기(19), 온도센서(21), 반도체 스위치 소자(23), 전류 감지기(25), 펄스 폭 변조 컨버터(27), 그리고 통신부(29)를 포함할 수 있다. 인쇄회로기판(5, 6)에는 이들 셀 충전기(17), 충전 제어기(19), 온도센서(21), 반도체 스위치 소자(23), 전류 감지기(25), 펄스 폭 변조 컨버터(27), 그리고 통신부(29)가 분산되어 배치될 수 있다. 물론 인쇄회로기판이 1개로 이루어진 경우에는 하나의 인쇄회로기판에 이들 셀 충전기(17), 충전 제어기(19), 온도센서(21), 반도체 스위치 소자(23), 전류 감지기(25), 펄스 폭 변조 컨버터(27), 그리고 통신부(29)가 배치될 수 있다. 도 3과 도 4에 도시한 인쇄회로기판(5, 6)에서 각 소자들을 연결하는 직선라인은 전원선이고 각 소자를 연결하는 점선은 제어라인이다.
셀 충전기(17)는 배터리 셀(3)에 일대일 대응하면서 배터리 셀(3)을 충전하는 역할을 한다.
충전 제어기(19)는 셀 충전기(17)에 일대일 대응하여 셀 충전기(17)를 제어하는 역할을 한다.
온도센서(21)는 충전 제어기(19)에 전기적으로 연결되며 배터리 셀(3)의 온도를 측정하여 충전 제어기(19)에 측정된 값을 전송하는 역할을 한다.
반도체 스위치 소자(23)는 배터리 셀(3)과 셀 충전기(17) 사이에 연결되어 배터리 셀(3)과 셀 충전기(17) 사이에 흐르는 전원을 차단하거나 연결하는 역할을 한다. 이러한 반도체 스위치 소자(23)는 상술한 충전 제어기(19)에 의해 제어된다.
전류 감지기(25)는 배터리 셀(3)과 셀 충전기(17) 사이 또는 반도체 스위치 소자(23)와 셀 충전기(17) 사이에 배치되어 배터리 셀(3)과 셀 충전기(17) 사이에 흐르는 전류를 감지하여 충전 제어기(19)에 전송하는 역할을 한다.
펄스 폭 변조 컨버터(27)는 충전 제어기(19)에 셀 충전기(17)에 연결되고 충전 제어기(19)의 제어에 의해 펄스 폭을 변조할 수 있다.
통신부(29)는 배터리 관리장치(BMS, Battery management system)와 충전 제어기(19)를 유선 또는 무선으로 연결할 수 있다(도 3과 도 4에 도시함). 이러한 통신부(29)는 배터리 관리장치(BMS)에 유선으로 연결되는 통신 커넥터(31)로 이루어지거나 또는 배터리 관리장치(BMS)에 무선으로 연결되는 무선통신모듈(33)과 안테나(35)를 포함할 수 있다. 통신부(29)는 통신 커넥터(31), 무선통신모듈(33)과 안테나(35)가 함께 설치되는 것도 가능하다.
이와 같이 이루어지는 본 발명의 실시예의 배터리 팩의 조립 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 작업자는 배터리 셀(3)의 제1 전극단자(11)와 제2 전극단자(13)에 인쇄회로기판(5, 6)의 구멍(5a, 5b, 6a, 6b)을 통해 인쇄회로기판(5, 6)을 순차적으로 끼운다. 그리고 이때 인쇄회로기판(5, 6)은 제1 기판 연결 커넥터(5c, 5d)와 제2 기판 연결 커넥터(6c, 6d)를 결합하여 인쇄회로기판(5, 6)을 적층 상태로 배열하면서도 서로 전기적으로 연결한다.
그리고 작업자는 제1 전극단자(11)와 인접하여 배치되는 또 다른 제1 전극단자(11)에 제1 연결단자(7)를 연결한다. 그리고 제2 전극단자(13)와 인접하여 배치되는 제2 연결단자(9)를 순차적으로 연결한다. 그리고 제1 전극단자(11)와 제2 전극단자(13)를 너트로 고정한다.
계속해서 작업자는 커넥터 케이블(16)을 이용하여 연결 커넥터(15)와 인접하여 배치되는 또 다른 연결 커넥터(15)를 연결한다. 그리고 통신부(29)가 유선인 경우 통신 커넥터(31)와 배터리 관리장치(BMS)를 연결한다.
이러한 본 발명의 실시예는 배터리 셀(3)과 일대일 대응하는 셀 충전기(17), 충전 제어기(19) 등이 설치된 인쇄회로기판(5, 6)을 배터리 셀(3)의 일면에 밀착시켜 배치할 수 있어 컴팩트하게 배터리 팩을 제작할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 배터리 모듈(1)의 개수를 변경하는 것에 의해 배터리 팩의 크기와 용량을 다양하게 제작할 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예의 배터리 팩은 셀 발란싱을 원활하게 수행하면서도 조립 비용을 줄이고 셀 제조회사에서 셀 포메이션을 사용할 때 셀의 생산 단가를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 셀 그레이딩(Cell grading)을 위한 설비 비용과 셀 그레이딩에서 나오는 불량 셀을 줄여 생산 비용을 절감할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예의 다른 예시로 인쇄회로기판(5, 편의상 상술한 도면 부호를 동일하게 부여함)이 배터리 셀(3)의 측면에 결합된 상태를 도시하고 있다. 이러한 본 발명의 실시예의 다른 예시는 인쇄회로기판(5)이 배터리 셀(3)의 측면, 또는 윗면 등 배터리 셀(3)의 다른 면에 나사 등의 체결부재로 고정될 수 있음을 보여주는 것이다. 본 발명의 실시예의 다른 예시의 상세한 설명은 상술한 실시예의 설명과 동일한 부분은 그 설명으로 대치하기로 한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1. 배터리 모듈, 3. 배터리 셀,
5, 6. 인쇄회로기판, 5a, 5b. 구멍,
5c, 5d. 제1 기판 연결 커넥터,
6a, 6b. 구멍, 6c, 6d. 제1 기판 연결 커넥터,
7. 제1 연결단자, 9. 제2 연결단자,
11. 제1 전극단자, 13. 제2 전극단자,
15. 연결 커넥터, 16. 커넥터 케이블,
17. 셀 충전기, 19. 충전 제어기,
21. 온도센서, 23. 반도체 스위치 소자,
25. 전류 감지기, 27. 펄스 폭 변조 컨버터,
29. 통신부, 31. 통신 커넥터,
33. 무선통신모듈, 35. 안테나

Claims (7)

  1. 제1 전극단자와 제2 전극단자를 구비한 복수의 배터리 셀,
    상기 배터리 셀의 일면에 상기 배터리 셀과 대응되는 수로 결합되며 상기 제1 전극단자와 상기 제2 전극단자에 연결되는 인쇄회로기판,
    상기 배터리 셀의 제1 전극단자와 인접하는 또 다른 제1 전극단자를 서로 연결하는 제1 연결단자, 그리고
    상기 배터리 셀의 제2 전극단자와 인접하는 또 다른 제2 전극단자를 서로 연결하는 제2 연결단자를 포함하며,
    상기 인쇄회로기판에는
    상기 배터리 셀에 일대일 대응하며 상기 배터리 셀을 충전하는 셀 충전기,
    상기 셀 충전기에 일대일 대응하여 연결되며 상기 셀 충전기를 제어하는 충전 제어기,
    상기 충전 제어기에 연결되는 연결 커넥터,
    상기 연결 커넥터에 끼워져 상기 인쇄회로기판과 인접하여 배치되는 또 다른 인쇄회로기판을 연결하는 커넥터 케이블, 그리고
    외부에 배치되는 배터리 관리장치와 상기 충전 제어기가 유선 또는 무선으로 통신을 하는 통신부가 제공된 배터리 팩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 인쇄회로기판에는
    상기 배터리 셀의 온도를 측정하여 상기 충전 제어기에 측정된 값을 전송하는 온도 센서가 제공되는 배터리 팩.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 인쇄회로기판에는
    반도체 스위치 소자와 전류 감지기가 제공되며,
    상기 반도체 스위치 소자와 상기 전류 감지기는
    상기 배터리 셀과 상기 셀 충전기 사이에 연결되며 상기 충전 제어기에 의해 제어되는 배터리 팩.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 인쇄회로기판에는
    펄스 폭 변조 컨버터가 제공되며,
    상기 펄스 폭 변조 컨버터는
    상기 셀 충전기에 연결되고 상기 충전 제어기에 의해 제어되는 배터리 팩.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 통신부는
    상기 배터리 관리장치에 유선으로 연결되는 통신 커넥터로 이루어지거나 또는 무선통신모듈과 안테나로 이루어지는 배터리 팩.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 인쇄회로기판은
    상기 1개로 이루어지거나 또는 2개 이상으로 나뉘어져 배치되며, 2개 이상으로 나누어져 이루어지는 경우 상기 제1 전극단자와 상기 제2 전극단자에 겹쳐진 상태로 끼워지며 상기 인쇄회로기판에 제공되는 제1 기판 연결 커넥터 또는 제2 기판 연결 커넥터에 의해 겹쳐져 배열된 인쇄회로기판들이 연결되는 배터리 팩.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극단자와 상기 제2 전극단자는
    외주면에 나사산이 제공되고,
    상기 인쇄회로기판이 상기 제1 전극단자와 상기 제2 전극단자에 끼워지고, 볼트가 상기 제1 전극단자와 상기 제2 전극단자에 결합되어 상기 인쇄회로기판이 고정되는 배터리 팩.
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