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KR102657580B1 - 변형 가능 직병렬 연결 구조를 갖는 배터리 모듈 및 이의 조립 방법 - Google Patents

변형 가능 직병렬 연결 구조를 갖는 배터리 모듈 및 이의 조립 방법 Download PDF

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KR102657580B1
KR102657580B1 KR1020170018045A KR20170018045A KR102657580B1 KR 102657580 B1 KR102657580 B1 KR 102657580B1 KR 1020170018045 A KR1020170018045 A KR 1020170018045A KR 20170018045 A KR20170018045 A KR 20170018045A KR 102657580 B1 KR102657580 B1 KR 102657580B1
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KR
South Korea
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battery
cell
end plate
series
battery module
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정근태
김길섭
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에이치그린파워 주식회사
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Abstract

본 발명은 배터리 조립체에 관한 것으로서, 더 상세하게는 최소한의 변경으로 모듈내 직병렬 구조를 다양하게 변경 가능한 직병렬 연결 구조를 갖는 배터리 모듈 및 이의 조립 방법에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 단위 배터리 셀을 1셀 조립체로 구성하고, 직병렬 연결 구조를 볼트 고정함으로써 최소한의 변경으로 배터리 모듈 내 직병렬 구조를 다양하게 변경이 가능하다.

Description

변형 가능 직병렬 연결 구조를 갖는 배터리 모듈 및 이의 조립 방법{Battery module having a transformable serial-parallel connection structure and Method for assembling the same}
본 발명은 배터리 조립체에 관한 것으로서, 더 상세하게는 최소한의 변경으로 모듈내 직병렬 구조를 다양하게 변경 가능한 직병렬 연결 구조를 갖는 배터리 모듈 및 이의 조립 방법에 대한 것이다.
최근 배터리 고용량화에 따른 고에너지 배터리 팩들이 개발되고 있다. 그에 따라 배터리 셀을 병렬로 구성하여 용량 증대를 꾀하고 있다. 그런데, 직렬 성분 증대시 전압 성분만 증대되어 기구축된 충반전기 인프라 사용이 불가하다.
더불어 셀(cell) 공용화가 추진되어 동일 사이즈에 배터리이지만 내부 연결 구조를 1P(Parallel), 2P,3P,4P로 변경한 배터리 팩이 출시되고 있다. 이 경우, 1P2S(Serial), 2P1S, 3P2S, 2P1Sx2 등으로 배터리 셀이 구성된다. 이 경우, 기존 배터리 모듈 개발 시 모듈 내부에 직병렬 연결구조가 변경되면, 배터리 모듈을 새로이 제작하는 사양 개발을 해야한다.
그에 따라 조립 설비 변경 및 제작이 필요하게 되어 투자비가 과도하게 발생하는 문제가 있었다 부연하면, 기존에 개발된 배터리 모듈은 배터리 셀을 용접으로 연결하여 구성하였다. 이를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, 배터리 셀 (-) 리드(120), 배터리 셀(+) 리드(130)가 용접에 의해 버스바(140)로 연결된다. 즉, 배터리 셀 리드와 버스바간의 용접으로 연결 구조를 갖는다.
그런데, 이러한 용접 방식의 경우, 용접 조건에 의해 설비 구성이 어려워지고 병렬 구간 용접 시 검사가 어려운 등 품질 문제가 있다. 부연하면, 배터리 셀 리드와 버스바간의 용접으로 연결 구조를 갖기 때문에 예를 들어 2셀 병렬에서 3셀 병렬로 구조변경시 구조적인 변경이 과대하여 신규 제작하는 방향으로 개발이 전개 되었다.
또한, 동일한 부품구성이라도 병렬 구조가 변경되면 공정/용접 구조 구현을 위해 신규 설비를 구축해야 하는 문제가 있다.
1. 한국공개특허 제10-2005-0121908호 2. 한국공개특허 제10-2005-0106540호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 최소한의 변경으로 모듈 내 직병렬 구조를 다양하게 변경 가능한 배터리 모듈 및 이의 조립 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 모듈 적층수가 증가하여 전류/전압이 증대하더라도 단자간 절연 거리 및/또는 압축시 안전성을 확보할 수 있는 배터리 모듈 및 이의 조립 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 증대된 에너지 사양에 따라 버스바 두께/폭/경로를 다양하게 변경 대응이 가능한 배터리 모듈 및 이의 조립 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해 최소한의 변경으로 모듈 내 직병렬 구조를 다양하게 변경가능한 배터리 모듈을 제공할 수 있다.
상기 배터리 모듈은,
제 1 엔드 플레이트(301);
상기 제 1 엔드 플레이트(301) 내측에 적층 배열되며 양단에 셀리드 결합부(330)가 각각 형성되는 다수의 단위 배터리 셀(310);
상기 셀리드 결합부(330)와 결합되어 상기 다수의 단위 배터리(310)가 직병렬로 연결되도록 변형 가능하게 블록 단위로 이루어지는 제 1 블록(610)과 제 2 블록(620)을 연결하는 버스바 연결부(320); 및
상기 다수의 단위 배터리(310)의 최외면과 밀착되게 제 1 엔드 플레이트(301)와 고정 부재(303)로 조립되는 제 2 엔드 플레이트(302);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 단위 배터리(310)는, 하나의 배터리 셀(212); 및 상기 배터리 셀(212)을 패키징하는 배터리 패키지(211);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 블록(610) 및 제 2 블록(620)은 상기 다수의 단위 배터리(310) 중 수개를 병렬로 연결하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 블록(610) 및 제 2 블록(620)은 서로 다른 전극을 갖도록 180도 회전된 상태로 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 버스바 연결부(320)에는 상기 셀리드 결합부(330)와 결합되기 위한 체결부(421)가 양단에 꺽쇠 형상으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 체결부(421)와 상기 셀리드 결합부(330)는 볼팅 방식에 의해 체결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀(212)는 파우치형 배터리 셀인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 버스바 연결부(320)는 폭이 다양한 형태로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 제 1 엔드 플레이트(301)를 배치하는 단계; 상기 제 1 엔드 플레이트(301) 내측에 양단에 셀리드 결합부(330)가 각각 형성되는 다수의 단위 배터리 셀(310)을 적층 배열하는 단계; 제 2 엔드 플레이트(302)를 상기 다수의 단위 배터리(310)의 최외면에 배치하는 단계; 상기 최외면과 밀착되게 상기 제 1 엔드 플레이트(301)와 상기 제 2 엔드 플레이트(302)를 고정 부재(303)로 조립하는 단계; 및 상기 다수의 단위 배터리(310)를 직병렬로 연결되도록 변형 가능하게 블록 단위로 이루어지는 제 1 블록(610)과 제 2 블록(620)이 연결되도록 버스바 연결부(320)를 상기 셀리드 결합부(330)와 결합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 가능 직병렬 연결 구조를 갖는 배터리 모듈의 조립 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 단위 배터리 셀을 1셀 조립체로 구성하고, 직병렬 연결 구조를 볼트 고정함으로써 최소한의 변경으로 배터리 모듈 내 직병렬 구조를 다양하게 변경이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 양방향 배터리 셀을 적용하여 연결 버스바간 이격거리를 확보한 사양으로, 배터리 모듈 적층수가 증가하여 전류 및/또는 전압이 증대하더라도 단자간 절연 거리 및/또는 압축 시 안전성을 확보할 수 있다는 점이다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 증대된 에너지 사양에 따라 버스바 두께/폭/경로를 다양하게 변경 대응이 가능하기 때문에 다양한 패키지 구성이 가능한 장점이 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적으로 배터리 셀을 용접으로 연결하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연결 버스바를 이용하여 구성되는 단위 배터리의 연결 구성예를 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈(300)의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 버스바 연결부(320)의 확대도이다.
도 5는 도 2에 도시된 단위 배터리(310)의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3개의 단위 배터리를 병렬로 연결하여 하나의 블록으로 구성하는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈(300)의 측면 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 변형 가능 직병렬 연결 구조를 갖는 배터리 모듈 및 이의 조립 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연결 버스바를 이용하여 구성되는 단위 배터리(210)의 연결 구성예를 보여주는 개념도이다. 도 2를 참조하면, 단위 배터리(210)는 하나의 배터리 셀(212)과 이 배터리 셀(212)을 패키징하는 배터리 패키지(211)로 구성된다. 물론, 배터리 패키지(211)에는 배터리 셀(212)이 안착되는 하우징(미도시), 하우징(미도시)의 앞뒤에 조립되는 전면 커버 및 후면 커버(미도시) 등으로 구성된다.
배터리 셀(212)은 원통형 셀(cylindrical cell), 각형 셀(prismatic cell), 파우치형 셀 등으로 설계될 수 있다. 파우치형 셀들은 박막으로 구성된 유연한 커버를 포함하고, 상기 커버 내에는 배터리 셀의 전기적 구성 요소들이 배치되어 있다.
하나의 배터리 셀 내에서 최적의 공간 이용을 구현하기 위해서는 특히 파우치형 셀들이 사용된다. 상기 파우치형 셀들은 또한 높은 용량과 더불어 적은 중량을 특징으로 한다. 일반적으로, 파우치형 셀들은 리튬 2차 배터리 또는 니켈-수소 배터리(Nickel-hydrogen battery)등과 같이, 전해질 용액(electrolytic solution)을 내포할 수도 있다.
또한, 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 전기 차량용 고전압 배터리가 될 수 있다.
일반적으로 고전압 배터리는 전기 차량을 움직이는 동력원으로 사용하는 배터리로서 100V 이상의 고전압을 말한다. 그러나, 이에 한정되지는 않으며, 저전압 배터리도 가능하다.
도 2를 계속 참조하면, 이러한 단위 배터리(210)를 연결점(201)을 이용하여 다양한 병렬 구성을 만들 수 있다. 부연하면, 2 셀 병렬 구성(220)은 2개의 단위 배터리(210)를 양단의 2개의 연결점(201)으로 동일 전극을 연결한다. 3 셀 병렬 구성(230)은 3개의 단위 배터리(210)를 양단의 3개의 연결점(201)으로 동일 전극을 연결한다. 4 셀 병렬 구성(230)은 4개의 단위 배터리(210)를 양단의 4개의 연결점(201)으로 동일 전극을 연결한다. 여기서, 연결점(201)은 볼팅 방식에 의한 볼팅점이 될 수 있다. 물론, 볼팅 방식이외에도 커넥터 방식 등이 이용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈(300)의 사시도이다. 도 3 및 이의 부분 확대도를 참조하면, 상기 배터리 모듈(300)은, 제 1 엔드 플레이트(301), 상기 제 1 엔드 플레이트(301) 내측에 적층 배열되며 양단에 셀리드 결합부(330)가 각각 형성되는 다수의 단위 배터리 셀(310), 상기 셀리드 결합부(330)와 결합되는 버스바 연결부(320), 및 상기 다수의 단위 배터리(310)의 최외면과 밀착되게 제 1 엔드 플레이트(301)와 고정 부재(303)로 조립되는 제 2 엔드 플레이트(302) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
부연하면, 조립되는 순서를 보면, 제 1 엔드 플레이트(301)를 배치한다. 이후, 상기 제 1 엔드 플레이트(301) 내측에 양단에 셀리드 결합부(330)가 각각 형성되는 다수의 단위 배터리 셀(310)를 적층 배열한다.
이후, 제 2 엔드 플레이트(302)를 우측 단위 배터리(310)의 최외면에 배치하고, 상기 최외면과 밀착되게 상기 제 1 엔드 플레이트(301)와 상기 제 2 엔드 플레이트(302)를 고정 부재(303)를 삽입하여 조립한다. 물론, 이를 위해서는 단위 배터리(310)의 패키지 및 엔드 플레이트(301,302) 표면상 관통홀(미도시)이 형성된다. 고정 부재(303)는 다수 개로 구성될 수 있으며, 모서리 마다 구성될 수도 있다.
이후, 적정한 개수의 단위 배터리(310)가 직병렬로 연결되도록 버스바 연결부(320)를 상기 셀리드 결합부(330)와 결합한다.
물론, 이러한 조립 공정은 기계 자동화로 이루어지며, 이러한 조립 공정은 이미 널리 공지되어 있으므로 본 발명의 명확한 이해를 위해 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 도 3에 도시된 버스바 연결부(320)의 확대도이다. 도 4를 참조하면, 버스바 연결부(320)에는 몸체(420)와, 셀리드 결합부(330)와 결합되기 위한 체결부(421)가 양단에 꺽쇠 형상으로 형성될 수 있다. 상기 체결부(421)와 상기 셀리드 결합부(330)는 볼트(411,412)를 통해 체결된다. 이러한 볼트(411,412)를 통해 연결된 부분은 고전압(-) 또는 고전압(+)(401)이 된다. 즉, 상단 부분은 고전압(-)이 되고, 하단 부분은 고전압(+)이 된다. 물론, 이러한 버스바 연결부(320)에 의해 연결되지 않은 부분의 경우, 상단 부분은 셀 전극(+)(320)이 되고, 하단 부분은 셀 전극(-)가 된다.
도 4에서는 단위 배터리(310) 3개를 하나의 블록으로 예시한 것으로, 버스바 연결부(320)의 몸체(420)의 폭을 다르게 하여 단위 배터리(310) 2개를 하나의 블록으로 하거나, 4개를 하나의 블록으로 하거나, 4개 이상을 하나의 블록으로 할 수 있다. 즉 버스바 연결부(320)의 폭을 다른 형태로 구성하여 버스바 연결부(320)를 변경하면 다양한 조합이 가능하다. 물론, 이에 따라 적층되는 단위 배터리(310)도 달리 변경된다. 예를 들면, 단위 배터리(310) 4개를 하나의 블록으로 할 경우, 4개의 단위 배터리(310)는 동일 전극이 놓이고 다른 4개의 단위 배터리는 앞선 4개의 단위 배터리와 다른 동일 전극으로 놓이며, 이러한 배열이 교대로 이루어져야 한다.
도 5는 도 2에 도시된 단위 배터리(310)의 확대도이다. 도 5를 참조하면, 단위 배터리(310)의 우측단은 (-) 단자가 놓이고, 좌측에는 (+) 단자가 놓인다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3개의 단위 배터리를 병렬로 연결하여 하나의 블록으로 구성하는 개념도이다. 도 6을 참조하면, 3개의 단위 배터리를 병렬로 연결하여 여러 개의 블록으로 구성한다. 따라서, 제 1 블록(610)에 있는 3개의 단위 배터리는 모두 동일한 (+) 전극을 갖고, 제 2 블록(620)에 있는 3개의 단위 배터리는 모두 동일한 (-) 전극을 갖는다.
즉, 제 2 블록(620)은 제 1 블록(610)과 서로 다른 전극을 갖도록 단위 배터리들을 180도 회전된 상태로 배열한다. 이러한 배열이 교대로 이루어져 하나의 배터리 모듈이 된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈(300)의 측면 사시도이다. 도 7을 참조하면, 배터리 모듈(300)의 왼쪽 측면을 도시한 것으로 이와 유사하게 우측 측면도 동일하게 이루어진다.
210, 310: 단위 배터리
301: 제 1 엔드 플레이트 302: 제 2 엔드 플레이트
303: 고정 부재
320: 버스바 연결부
330: 셀리드 결합부
411: 볼트
420: 몸체
421: 체결부
610: 제 1 블록 620: 제 2 블록

Claims (9)

  1. 제 1 엔드 플레이트(301);
    상기 제 1 엔드 플레이트(301) 내측에 적층 배열되며 양단에 셀리드 결합부(330)가 각각 형성되는 다수의 단위 배터리 셀(310);
    상기 셀리드 결합부(330)와 결합되어 상기 다수의 단위 배터리(310)가 직병렬로 연결되도록 변형 가능하게 블록 단위로 이루어지는 제 1 블록(610)과 제 2 블록(620)을 연결하는 버스바 연결부(320); 및
    상기 다수의 단위 배터리(310)의 최외면과 밀착되게 제 1 엔드 플레이트(301)와 고정 부재(303)로 조립되는 제 2 엔드 플레이트(302);를 포함하며,
    상기 버스바 연결부(320)에는 상기 셀리드 결합부(330)와 결합되기 위한 체결부(421)가 양단에 꺽쇠 형상으로 형성되고,
    상기 체결부(421)와 상기 셀리드 결합부(330)는 볼팅 방식에 의해 체결되는 것을 특징으로 하는 변형 가능 직병렬 연결 구조를 갖는 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 단위 배터리(310)는, 하나의 배터리 셀(212); 및 상기 배터리 셀(212)을 패키징하는 배터리 패키지(211);를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 가능 직병렬 연결 구조를 갖는 배터리 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 블록(610) 및 제 2 블록(620)은 상기 다수의 단위 배터리(310) 중 수개를 병렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 변형 가능 직병렬 연결 구조를 갖는 배터리 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 블록(610) 및 제 2 블록(620)은 서로 다른 전극을 갖도록 180도 회전된 상태로 배열되는 것을 특징으로 하는 변형 가능 직병렬 연결 구조를 갖는 배터리 모듈.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 셀(212)는 파우치형 배터리 셀인 것을 특징으로 하는 변형 가능 직병렬 연결 구조를 갖는 배터리 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 버스바 연결부(320)는 폭이 다양한 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변형 가능 직병렬 연결 구조를 갖는 배터리 모듈.
  9. 제 1 엔드 플레이트(301)를 배치하는 단계;
    상기 제 1 엔드 플레이트(301) 내측에 양단에 셀리드 결합부(330)가 각각 형성되는 다수의 단위 배터리 셀(310)를 적층 배열하는 단계;
    제 2 엔드 플레이트(302)를 상기 다수의 단위 배터리(310)의 최외면에 배치하는 단계;
    상기 최외면과 밀착되게 상기 제 1 엔드 플레이트(301)와 상기 제 2 엔드 플레이트(302)를 고정 부재(303)으로 조립하는 단계; 및
    상기 다수의 단위 배터리(310)를 직병렬로 연결되도록 변형 가능하게 블록 단위로 이루어지는 제 1 블록(610)과 제 2 블록(620)이 연결되도록 버스바 연결부(320)를 상기 셀리드 결합부(330)와 결합하는 단계;를 포함하며,
    상기 버스바 연결부(320)에는 상기 셀리드 결합부(330)와 결합되기 위한 체결부(421)가 양단에 꺽쇠 형상으로 형성되고,
    상기 체결부(421)와 상기 셀리드 결합부(330)는 볼팅 방식에 의해 체결되는 것을 특징으로 하는 변형 가능 직병렬 연결 구조를 갖는 배터리 모듈의 조립 방법.
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