KR20120081402A - 전지 셀의 효율적 직 병렬 연결 방법 및 이를 이용한 전지모듈 조립 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절연체의 셀 연결 카트리지에 전지 셀의 공간을 확보하고 동일한 구조의 연결 카트리지를 반복 사용하여 다수 전지 셀의 직 병렬 연결 시스템을 제공한다.
이 연결 시스템은 인접하는 두 개의 극주가 볼트 너트 구조를 가진 도전성 연결체 사이에서 직접 연결 되므로 노화 정도에 따라 불량 셀의 선택적 교환과 원하는 전지 셀 수의 전지 모듈의 조립이 가능하여 한정된 적재 공간에 효율적인 전지 팩의 설치가 가능 한 장점이 있다
더불어 절연체인 셀 연결 카트리지 측면 지지 바에 두께가 다른 스페이스 바를 결합하여 별도의 연결 카트리지의 사출 몰드 개발 비용 없이 면적이 같고 두께가 상이한 용량(예 60Ah/6mm, 80Ah /7mm, 100Ah/8mm)의 전지 모듈의 조립이 가능 하다
또한 고율 충 방전으로 인한 온도 상승에 대비하여 전지 셀 양 측면과 별도로 극주 연결 부분에 별도의 냉매 유로가 분리되어 리튬 이온 전지의 화재 및 폭발에 대한 안전성과 신뢰성을 제공하고. 전지모듈 내부에 Battery Monitoring System과 Balancing Module Unit을 장착 하여 단위 모듈을 구성 하고 있는 다수 전지 셀의 전압 과 온도 측정값이 배터리 모듈간의 통신망으로 연결되어
전지 모듈을 구성하는 다수의 전지 셀의 직 병렬 연결 방법에 최적의 효율성, 경제성, 신뢰성을 제공한다

Description

전지 셀의 효율적 직 병렬 연결 방법 및 이를 이용한 전지모듈 조립{Effective battery cell series ＆ parallel connection system and battery module assembling}

본 발명은 전기 자동차 또는 에너지 저장 장치에 사용되는 중 대형 이차 전지 모듈을 구성 하는 다수의 전지 셀들의 직 병렬 연결 방법과 이를 이용한 전지 모듈의 조립 방법에 관한 것이다.

이 연결 방법은 전지 모듈을 구성하고 있는 전지 셀들이 반복되는 충 방전으로 인하여 각 전지 셀의 노화가 진행되고 노화 정도에 따라 불량 셀의 선택 교환이 용이 하도록 기구적으로 상호 연결하는 편의성이 요구된다

또한 다양한 크기의 전지 팩을 제한된 공간에 효과적으로 배치 가능하도록 절연체의 연결 카트지를 이용하여 전지 모듈을 구성 하는 다수의 전지 셀 수를 용이하게 가변 할 수 있는 전지 셀들의 연결 시스템과 전기 차의 가속 및 급속충전으로 인한 고율 방전 시 전지 셀의 온도 상승과 극주 연결 부분의 열 폭주 현상으로 예상 되는 화재 및 폭발을 방지 할 수 있는 전지 셀의 연결 구조에 관한 것이다

최근 화석연료의 고갈과 CO2 배출의 규제에 따라 전기 자동차와 스마트 그리드용 에너지 저장 장치의 동력원으로 충 방전이 반복 가능한 이차 리튬 이온 전지의 수요가 폭발적으로 증가 되고 있다 특히 골프카(golf car) 하이브리드 자동차(HEV), 근거리 전기자동차(NEV), 순수 전기차(EV), 전기 버스(e-bus) 및 에너지 저장 장치의 동력원으로 사용되는 리튬 이온전지, 리튬 폴리마 전지 팩들이 중 대형화 되고 있는 추세이다

이러한 고 출력 대용량의 동력원으로 사용되는 전지 팩의 구성은 일반적으로 다수의 전지셀(단위셀)을 직렬 또는 병렬 연결 하여 단위 전지 모듈을 구성 하며 단위 전지 모듈을 직 병렬로 연결하여 동력원이 요구하는 전지 팩의 정격전압 정격 용량을 구성 할 수 있다.

상세 하게 전지 모듈을 구성 하는 다수의 전지 셀들은 PCB 회로 기판을 사용하여 인접한 극주를 솔더링 하여 연결하는 방법, 인접하는 셀 극주를 도전체를 이용하여 볼트 너트로 연결 하고 압축 튜브를 사용하여 절연하는 방법, 도전성 상호 연결체 양 종결단에 이격 된 나사 로드들과 한쌍의 V-자형 클램프에 전지셀의 극주가 클램핑 되도록 연결 하는 방법, 도전체의 상호 연결부재에 상호 인접하는 전극을 초음파 용접 하는 방법으로 다수의 전지 셀의 연결 방법이 개선 발전되어 왔으나 이러한 방법은 도전성 상호 연결체를 사용한 극주 간의 연결 저항이 증가 하거나 솔더링 연결 방법 혹은 도체의 상호 연결 부재에 극주를 고주파 용접 연결 방법은 반복적인 충 방전으로 인한 불량 셀의 선택적 교환이 어려운 단점이 있다

더욱 전기 차의 급 가속 정지 및 급속 충전으로 인하여 전지 셀의 온도 상승과 극주 연결부의 열 폭주 현상으로 인하여 화재 와 폭발의 위험성에 노출 되어 있다.

또한 적은 비용으로 전기 차와 에너지 저장 장치의 적재 공간의 제한된 폭, 높이, 길이에 대하여 다수의 전지 모듈을 원하는 전지 셀수 만큼 직 병렬 연결하기 위하여 단위 전지 모듈을 구성 하고 있는 전지 셀들의 연결 수를 가변 하여 적재 공간에 콤펙트 하고 효율적으로 배치 가능 한 전지 셀들의 연결 시스템이 요구 된다

이러한 상호 연결시스템은 다양한 형태의 오염으로 인한 부식, 반복되는 충 방전으로 단위 전지셀의 노화 과정, 전기 차의 급 가속 및 급속 충전시 고율의 충 방전으로 인한 전지 셀의 온도 상승, 극주 연결부의 열 폭주 현상, 겨울철 영하 이하의 운행 조건 등 다양한 동력원의 작동 환경에서 전기적 내구성과 신뢰성, 안전성, 연결의 간편성과 효율성을 가지는 전지 셀의 상호 연결시스템을 개발 하는 것이 바람 직 하다

본 발명은 다양한 응용 분야의 동력원에 부합되는 정격 전압과 정격 용량에 적용 할 수 있도록 전지 모듈의 가변적 크기, 제한적인 전지 팩의 공간 배치를 효율적으로 해결 할 수 있도록 다수의 전지 셀들의 효과적이고 간편한 상호 연결 방법을 제공하는 것이다.

또한 다양한 형태의 오염과 작동 환경, 반복되는 충 방전으로 단위 전지 셀의 노화 정도에 따른 불량 셀의 선택적 교환이 가능한 편의성을 제공하는 것이다

특히 전기자동차의 제한 된 적재 공간의 폭, 높이, 길이에 대하여 단위 전지 모듈의 연결 전지 셀 수가 변경 될 경우 전지 모듈의 폭의 크기가 다른 사출 몰드 비용이 추가 되야 하므로 한 종류의 사출 연결 부재를 이용하여 다수의 전지 셀들을 원하는 셀 수 만큼 간편하게 직 병렬 연결 할 수 있는 상호 연결 시스템이 요구된다.

또한 전기 차의 급 가속과 감속, 급속 충전으로 인한 전지 셀의 고율 충 방전시 극주 연결부의 열폭주 현상에 대하여 안정성을 가지도록 별도의 냉각 유로가 확보 될 수 있는 전지 모듈이 요구 된다

이러한 다양한 규격의 전지 팩과 작동 환경에서 전기적 내구성과 신뢰성, 안전성, 연결의 간편성을 가지는 다수 전지 셀들의 상호 연결시스템을 개발 하는 것이 바람 직 하다

본 발명의 전지 모듈 조립의 예시적 실시 예는 다수 전지 셀의 상호 연결 시스템의 해결 수단을 제공한다

이러한 상호 연결 시스템은 전지 모듈을 구성하는 다수의 단위 전지 셀이 동일한 구조를 가진 절연체인 셀 연결 카트리지의 한 면에 단위 전지 셀과 같은 형상의 공간을 설계 하고 다른 면의 돌출부가 전지 셀의 sealed면을 밀착 고정하여 연결하는 방법으로 동일한 구조의 연결 카트리지를 반복 사용하여 원하는 연결 셀 수 만큼 의 전지 셀이 상호 연결되는 시스템이다

상기의 상호 연결 시스템은 연결 카트리지 상단 혹은 좌우 홈에 다수의 볼트 너트 구조를 가지는 도전성 연결 체와 볼트 너트의 위치와 일치하는 홀을 가진 도전성 연결 체 사이에 인접한 두개의 극주를 끼워 너트 혹은 볼트를 사용 연결 하는 방법으로 불량 셀의 선택적 교환이 가능 하고 인접한 극주 사이에 절연체를 끼워 우연한 아킹 (arcing), 전극의 접촉으로 인한 방전을 방지 하도록 구성 한다. 너트 구조를 가지는 도전성 연결 체는 연결 부재 사출시 팬 너트를 끼워 대신 할 수 있다

또한 원하는 수 만큼의 인접하는 다수 전지 셀의 병렬 연결이 가능 하도록 전지 셀의 극주의 홀과 일치하는 다수 홀이 원하는 병렬 연결 셀 수 만큼 병열로 배열된 도전성 연결 체를 포함 한다

셀 연결 카트리지는 다수의 사각형 또는 원형의 홀이 암수 형태로 맞물려 뒤틀림 없이 연결되며 사각형 혹은 원형의 홈에 너트구조를 가지는 사각 바와 원형의 볼트가 전지 모듈의 양 종 결단의 측면 프레임 판넬에 볼트 너트로 안정되게 결합되도록 한다.

전지 모듈을 구성 하는 다수 전지 셀의 연결 수가 변경되면 전지 모듈의 폭의 길이도 변경 되어 별도의 전지 모듈의 양극 음극 단자부를 절연하는 커버 와 각 전지셀의 전압, 온도 측정 배선이 연결되는 커넥터를 고정하는 절연체 커버의 길이가 변경 되어야 하므로 연결 전지의 셀 수에 따라 별도의 사출 몰드 비용이 필요 하게 된다 이에 커버의 표면에 V 자 형 또는 윤곽선을 형성하여 전지 모듈의 폭 길이로 커버를 절단하여 연결 전지 셀 수가 변경되어도 별도의 커버 사출 비용 없이 사용 할 수 있도록 한다.

면적이 같으나 다른 두께의 전지 셀 용량이 다른 전지 셀을 동일한 구조의 연결 카트리지를 사용 연결 가능 하도록 전지 셀의 양 측면을 지지하는 지지대에 두께가 다른 절연체를 결합 하여 다른 규격의 연결 카트리지 사출 몰드 비용 없이 겸용으로 용량이 다른 전지 셀들(예60,80,100Ah)을 각각 연결 하여 60Ah, 80Ah, 100Ah 세 종류의 전지 모듈을 조립 가능하도록 하고 지지대와 지지대에 결합되는 절연체의 두께 만큼의 냉매 유로가 확보 되도록 한다

전지 모듈의 양 종결단 양극,음극 터미널 단자는 셀 연결 카트리지의 상부 혹은 측면에 탭 구조를 가지는 원기둥 형태의 터미널 단자를 원 터치로 고정 할 수 있도록 다층 구조의 반원 홈을 구성하고 인접하는 연결 카트리와 결합하면 원형의 홀이 형성 되어 원기둥의 단자와 결합 되고 원통형의 단자 하부는 판상 구조의 터미널 바의 원형 홀에 결합되어 최종 종결 단 전지 셀의 양극 또는 음극의 극주와 볼트, 혹은 너트로 연결 되도록 한다

다수의 전지셀의 전압, 온도 측정용 배선은 각 셀의 극주와 연결되는 도전성 연결 체 상부에 코넥타 형태로 연결 되거나 도전성 연결 체에 너트 구조를 포함하여 전압, 온도 센싱 회로가 구성된 PCB의 각 회로 부분이 볼트로 직접 연결되도록 구성 한다.

다수의 전지 셀의 극주에 연결되는 전압 온도 측정용 다수의 배선은 연결 카트리지의 상부 혹은 측면에 배선의 통로가 되는 닥트 구조를 갖고 연결배선이 쉽게 빠져 나오지 않도록 닥트 측면 상단 양면에 고정용 돌출 부를 포함 시킨다. 상기에서 언급한 다수의 측정용 배선은 PCB 회로 기판이 대신 할 수 있다

고율 충 방전으로 온도상승이 예상되는 전지 셀의 온도 상승 부위는 셀 측면, 극주 연결 부분등 원하는 부위에 온도 센서를 장착 할 수 있도록 셀 연결 카트리지 극주 연결 부에 다수 방향 의 온도 센서 장착용 홀을 포함하고 원하는 넘버의 셀에 선택 적으로 부착 연결 되도록 한다

온도 상승이 예상되는 전지 셀들의 양 측면에 냉매 유로가 확보 되도록 일정 두께의 다수의 절연제의 지지 바를 셀 연결 카트리지의 측면에 배열 하고 전지 모듈의 셀 양 측면과 별도로 극주 연결 부분에 냉각 유로를 갖도록 전지모듈의 상부 프레임 커버에 별도 닥트 구조를 갖도록 한다

전지 모듈이 외부 진동으로부터 견딜 수 있는 방진 디바이스를 장착 할 수 있도록 셀 카트리지 밑면에 다수의 원형 또는 사각 홈 구조를 갖도록 한다

본 발명은 실시의 예 에서 설명 한 바와 같이 전기 자동차 및 에너지 저장 장치의 다양한 동력원이 요구하는 정격전압 정격용량에 부합되고 제한된 전지 팩의 적재 공간에 최적의 조건으로 배치 될 수 있도록 전지모듈을 구성 하는 전지 셀 수를 가변 설계 할 수 있는 편의성을 제공한다

또한 사각형(파우치) 또는 다각형의 이자 리튬 전지 셀의 표면적이 같고 두께가 다른 전지 용량(예60, 80, 100Ah)을 별도의 셀 연결 카트리지의 사출 몰드 개발 비용 없이 다른 두께의 절연체 스페이스 바를 사용 하여 전지 모듈을 구성 할 수 있는 경제성을 제공하고 반복되는 충 방전으로 셀의 노화 정도에 따라 불량 셀을 선택적으로 교환 할 수 있는 장점이 있다..

본 발명의 전지 셀 상호 연결시스템은 최근 화석연료의 고갈과 CO2 규제로 수요가 폭발적으로 증가 하고 있는 전기 골프카(golf car) 하이브리드 자동차(HEV), 근거리 전기자동차(NEV), 순수 전기차(EV), 전기 버스(e-bus)와 에너지 저장 장치의 동력원으로 사용되는 중대형 리튬 이온전지, 리튬 폴리마 전지 모둘의 제조에 적용 될 수 있어 동력원이 요구하는 다양한 출력과 용량의 중대형 전지 팩을 용이하게 제조 할 수 있는 산업 이용의 실제 예와 가능성을 제공한다

도면 1 다수 전지 셀들이 연결 카트리지에 의하여 인접한 전지 셀과 연결 되는
구조를 보여준다
도면 2 셀 연결 카트리지의 후면 구조 및 상호 고정 되는 부재들의 위치와
구조를 보여준다
도면 3 셀 연결 카트리지의 전면 돌출부 및 전지 셀의 연결 결합 부분을
나타내는 도면
도면 4 셀 연결 카트리지와 부재들을 이용하여 다수 셀들의 극주 및 터미널
단자의 연결 구조를 나타내는 본 발명의 하나의 실시 예로 제시되는
전지 모듈의 구조
도면5 실시 예의 전지 모듈에서 양극 음극 단자 터미널 절연 커버 구조와
전압 온도 측정 배선 용 커넥터 커버 구조 와 절연 및 연결 구조
도면6 전지 셀의 양측면의 냉매 유로와 분리된 극주 연결부의 냉매 유로를
포함하는 상부 프레임 판넬 닥트 구조 및 상부 프레임 커버
도면7. 실시 예의 완성 된 전지 모듈의 구조 및 명칭
도면8 실시의 예 : 8개의 전지 모듈을 직렬 연결한 전지 팩

본 발명의 구체적 내용은 바람직한 실시 예 제시에 대한 상세한 설명으로 더욱 명확해 질 것이나 이는 본 발명을 쉽게 이해 하기 위한 것으로 본 발명의 범주가 그것에 한정 되는 것은 아니다

상세한 설명에 수반되는 도면들은 아래에서 설명 하는바 와 같다.

본 발명은 전지 팩이 제한된 공간(차량 폭, 길이, 높이) 에 효율적으로 탑재 되도록 변경 가능한 다수의 전지 셀수(예6-22셀)을 직 병렬 연결하여 전지 모듈을 조립하고 조립된 전지 모듈을 직 병렬 연결하여 원하는 정격전압과 정격용량의 중대형 동력원의 전지 팩 시스템을 제공한다

도면1은 다수의 전지셀(17-1,17-2,---)을 동일한 구조의 셀 연결 카트리지(13-1,13-2,---)을 이용하여 상호 연결하는 시스템의 실시 예를 설명 하여 준다.

도면 1의 전지셀 상호 연결 시스템은(10)은 전지 모듈의 양 종결 단의 금속 구조의 프레임 측면 판넬(11), 측면 판넬과 전지모듈의 양극과 음극 단자(터미널)를 절연 하는 측면 절연 판넬(12) 전지 셀과 연결되는 셀 연결 카트리지(13-1,2--), 인접하는 두 극주를 절연하는 극주 절연바(14), 다수의 볼트 혹은 너트 구조를 가진 도전성 연결체인 하부 극주 연결 바(15) 극주 연결 바의 볼트나 너트 홀과 일치하는 홀을 가진 도전성 연결체인 상부 전압 센싱바(16)와 연결되는 다수의 전지 셀(17-1,17-2---), 셀 연결 카트리지(13-1,13-2,---)의 네 모서리 정 사각형의 홀에 끼워져 모듈의 프레임 측면 판넬과 고정되는 사각 너트바(18) 카트리지의 상하 중앙의 원형 홀에 끼워 연결된 원형 long 볼트(19)가 어떻게 상호 연결 되는지 도시 되어 있다 이러한 상호 연결 체는 종결단의 프레임 측면 판넬(11), 측면 절연 판넬(12)과 사각 너트바(18)와 원형 long 볼트(19)를 이용 하여 견고하게 결합 된다.

이 연결 시스템에서 연결되는 전지 셀의 수는 상이 하지만 그 결합체는 전지 모듈로 명명 되는 것이 바람직 하다.

하부 극주 연결 바(15), 상부 전압 센싱바(16)는 직각으로 절곡 되어 상호 인접하는 전지 셀의 극주를 중간에 두고 볼트 너트로 압착 고정 되므로 알미늄 합금, 순수 구리 및 합금으로 높은 전도성을 가진 도전체 소재로 만들어 지는 것이 바람직 하다. 이러한 방법은 인접한 셀의 연결 극주가 이격 되어 있고 별도의 도전성 상호 연결체의 종결단에 한쌍의 이격된 나사 로드 이용 한쌍의 V자형 단자 클램프가 극주 들을 클램핑 하여 연결 하는 방법(특허 출원번호 10-2008-0073269)과 비교하면 극주와 극주가 직접 접촉 연결되므로 도전성 상호 연결체의 자체의 연결 저항을 줄일수 있고 연결 구조가 간편 하는 장점이 있다.

또한 다수의 전기적 상호 연결 부재의 측면에 인접하는 전지 셀들의 극주를 초음파 용접하여 연결 하는 방법 (특허 출원 번호 10-2008-10079167)과 비교 하면 불량 전지 셀의 선택적 교환이 용이한 장점이 있다

전지 셀 연결 카트리지(13-1,13-2,--), 극주 절연바(14) 측면 절연 판넬(12)은 다양한 전기 절연성의 엔지니어링 프라스틱 재료로 사출 생산 되며 이들은 상호 연결되지 않은 인접한 전지 샐 들 사이에서 발생 할 수 있는 아킹(arcing), 누전, 단락, 방전, 접촉을 방지 한다.

하부 극주 연결바(15)의 높이는 원 터치로 끼워지는 셀 연결 카트리지의 상부 혹은 좌우 면의 연결 홀의 높이와 같고 폭과 길이 는 연결 전지 셀의 두께 및 전지 셀의 극주 폭의 길이에 따라 변경 가능하다.

연결 볼트 혹은 너트는 스텐레스스틸 혹은 구리 합금 재질로 육각형, + 자형 머리 구조로 LOCK 와샤 평 와샤을 포함 하며 볼트의 직경 및 pitch 는 연결 극주가 최소의 전기 접촉 저항으로 연결 되도록 충분한 토크(toque) 조절이 가능한 공구로 균일한 토크로 단단히 조여 져야 한다

상부 전압 센싱바(16)는 직각 절곡 된 두 개의 극주 위에 연결 되므로 전도성이 강한 순수 구리 및 구리 합금 소재로 구성되는 것이 바람 직하며 연결 볼트 너트 수 와 동일 한 홀을 갖고 각 전지 셀의 전압 측정용 배선과 연결 되도록 종단부에 커넥터나 압입 된 팬너트 구조를 갖는다.

상호 연결 되는 전지의 극주는 극주 연결바(15) 및 전압 센싱바(16)의 볼트 구멍과 일치 하도록 타공 되어 모듈 조립 전 절곡 되거나 조 립후에 절곡 하여도 무방 하다.

도면1의 실시 예에 사용되는 전지 셀들은 약 460mm의 길이 약 330mm 의 폭과 70mm 의 두께를 가진 리튬포리마 2차전지 80Ah로 셀 전극은 0.2mm 두께와 100mm의 폭을 가진 음극과 양극이 좌우 대칭 구조를 갖고 있다. 양극은 산화피막 처리된 알미늄으로 구성되며 음극은 니켈 도금된 구리로 구성된다 도면 1의 연결 시스템의 극주는 도시된 배열에서 좌우 대칭 구조의 동일한 축상에 정렬 배치 되는 구조를 가지며 인접하는 전지셀의 각기 다른 극상 (직렬 연결시) 또는 같은 극상(병렬연결시)과 상호 연결되어 각 종결단에 원기둥 형태의 양극 과 음극의 터미널 단자와 최종 연결된다. 음극과 양극은 전지 셀의 상부 면에 좌우 대칭 구조이거나 전지 셀의 좌우 측면에 위치 할 수 있다.

도면2의 셀 연결 카트리지 후면(20)은 좌우 대칭의 극주 연결부(21) 극주 고정부(22) 3개의 셀 측면 지지대(23) 지지바의 홀에 끼워지는 절연 스페이스 바(24) 4개의 전지 샐 sealed 면 모서리부(25) 상부 좌우 중앙의 덕트부(26) 좌우 두 개의 원형홀(27) 하부의 내 진동 흡수부(28) 네 개의 모서리 웨지(wedge)부(29)) 로 구성 된다

실시 예 에서 상부 극주 연결부(21)는 인접하는 전지 셀의 극주(예 두께 0.2mm 폭 100mm)가 연결 되도록 하부 극주 연결 바(15)를 원 터치로 고정 할 수 있는 ㄷ형의 홈을 포함한다.

극주 고정부(22)는 상부 극주 연결부 와 두께가 다른 직사각형 테두리 홀 안에 극주 부분(0.2mm)과 두께가 다른 전지 셀의 극주 리벳 혹은 고주파 welding 부위(0.6-0.8mm)와 온도 센서가 밀착 고정 된다.

실시의 예에서 셀 연결 카트리지는 길이 460mm 폭 330mm 두께7mm의 80Ah 전지 셀이 고정 되도록 전지 셀과 같은 표면적과 두께(8mm)의 공간이 형성 되어 있고 전지 셀 측면은 3개의 지지바(23) 위에 고정 된다

3개의 지지부 홈은 다른 두께(2mm, 3mm)의 스페이스 바(24)가 접착되어 전지 셀의 표면적이 같으나 두께가 다른 용량의 전지셀 8mm(100Ah)와 7mm(80Ah)를 한 종류의 셀 연결 카트리지를 사용하여 전지 모듈을 구성 할 수 있으며 80Ah 전지 셀인 경우 지지바(3mm)와 절연 스페이스바(2mm)가 결합된 두께 5mm의 냉각 유로를 확보 하며 100Ah 전지 셀인 경우 지지바(3mm) 절연 스페이스바(1mm) 가 결합된 두께 4mm의 냉각 유로가 전지 셀 양 측면에 확보 된다.

셀 카트리지의 후면 전지 셀의 sealed부분과 접촉되는 4면에는 전지셀 1./2 두께 4mm 깊이로 홈이 형성되고 도면3의 전면의 좌우 상하 돌출부(32)에 의하여 sealed 부분이 밀착 고정되어 전지 셀이 견고하게 고정 된다.

전지 셀 sealed 면 4개 모서리 후면 웨지(wedge)부(25)는 두께가 일정 하지 않아 돌출부와 밀착 결합 시 전지 셀이 손상되어 전해액이 누출되지 않도록 예상되는 다른 두께의 홈이 삼각형 혹은 다각형 구조로 형성 전지 셀이 보다 안정되게 결합 되도록 한다.

셀 연결 카트리지의 4개의 모서리에는 인접 하는 카트리지가 상호 결합되는 사각 너트바(18)가 끼워지는 사각홀(29)와 상 하 중간에 원형 long 볼트(19)가 끼워 결합 되는 원형 홀(29-1)이 셀 카트리지의 후면 전면에 암수 결합 구조로 상호 연결 되고 한 쌍의 측면 프레임 판넬(11)및 측면 절연 판넬(12)과 볼트 너트 구조로 결합되어 다수의 전지 셀이 안정되고 견고하게 결함 된다

전지 모듈이 외부 진동으로부터 견딜 수 있는 방진 디바이스를 장착 할 수 있도록 셀 카트리지 밑면에 다수의 원형 또는 사각 홈(28) 구조를 포함 한다

도면 3 셀 연결 카트리지 전면은 돌출 구조의 사각형 돌출부(34) 원형 기둥(35)이 후면의 홀과 암수 형태로 결합 된다. 카트리지의 상부 중앙부분에 상, 하, 우측 방향의 온도 센서 고정 부(31)가

포함되어 고율 충 방전으로 온도 상승이 예상 되는 전지 셀 측면, 극주 연결 부분의 원하는 부분에 온도 센서를 장착 할 수 있고 원하는 연결 번호의 전지 셀에 선택 적으로 장착 할 수 있다

전지 샐 sealed 면 4개 모서리 전면 웨지(wedge)부(33)는 전지 셀의 sealed면이 손상되어 전해액이 누출 되지 않도록 후면 웨지(wedge)부(25)와 동일한 구조를 갖는다

도면 4는 N개의 전지 셀 수와 N+1개의 셀 연결 카트리지로 조립된 전지 모듈의 구조(40)를 보여주며 종결 단 전지 셀의 극주에 최종 연결 되는 너트 구조를 갖는 원통형의 양극 터미널 단자(41) 음극 터미널 단자(42)는 인접 하는 다른 모듈과 동력 케이블로 연결되므로 도전성이 우수한 구리 합금 또는 순수 구리 재질로 만들어 지는 것이 바람 직 하며 판상 구조의 터미널 바의 원형 홀에 결합 되어 양 종결 단 연결 전지 셀의 양 극주 사이에 상호 연결체 없이 직접 연결되어 연결 전기 저항을 최소화 하도록 설계되어 있다

또한 전지 셀의 고율 충 방전 시 열 폭주를 방지 하도록 판상 구조의 터미널 바는 전지 셀의 극 주와 결합 시 직각으로 절곡 되지 않는 구조가 바람 직 하다

양극의 터미널 단자는 전지모듈의 직렬 연결 셀 수 N x 정격전압 과 전지 셀의 정격 용량의 출력 되어 다른 전지 모듈들과 상호 직 병렬 연결 되어 원하는 동력원의 전지 팩을 구성한다.

셀 연결카트리지의 상부 혹은 측면에 좌우 대칭과 다층 구조의 반원 홈을 갖고 인접하는 다수의 연결카트리지와 상호 결합 하면 전지 모듈 상부 면에 다수의 원형 홀(45)이 형성 되어 원기둥의 터미널 단자(41)와 원 터치로 결합 된다

전지 모듈 상부에는 각 전지 셀의 전압, 온도를 측정하도록 각 셀의 전압 센싱바(16)와 연결된 다수의 측정 배선이 측면 닥트(46), 중앙 닥트(47)에 매입 되고 닥트 상부 중앙에 측정 배선을 고정하는 돌출 부를 포함한다

다수 전지 셀의 극주 상부에 연결 되는 전압 센싱바(16)는 측정 배선을 연결하는 코넥터를 포함하고 코넥타에 연결 된 다수의 측정 배선은 전지 모둘의 센싱 코네타(43)에 연결 되거나 전압 온도 측정 회로가 구성된 PCB의 기판의 각 회로의 접점 부분이 전압 센싱바(16)의 너트 구조에 볼트로 연결되고 PCB 회로가 다시 코넥터 센싱 코네타(43)에 연결된다.

전지 모듈에 BMS 및 바란싱 회로(배터리 모니터링 시스템, 셀 바란싱 모듈)를 포함 할 경우 전압 온도 센싱 코넥터 (43)는 모듈간의 전압 온도 측정값의 통신 회로와 연결 되고 별도의 전원 공급 코넥터(44)를 추가 할 수 있다.

도면 5 는 전지 모듈의 양극 음극의 터미널 단자 커버(51)와 센싱 코넥터 커버(53)는 인접하는 전극이나 도전체의 프레임 판넬과 절연되는 역할을 수행 하고 다수 전지 셀의 연결 수(6-22셀)에 따라 전지 모듈의 폭의 길이도 변경 되어 별도의 사출 몰드 비용이 없이나 극주 커버의 표면에V 자 형 또는 절단 윤곽선(52,54)을 포함하여 전지 모듈의 폭 길이에 맞도록 절단 되어 측면 연결 홈(55,56)을 통하여 볼트로 측면 프레임 판넬과 결합 된다.

측면 프레임 판넬의 중앙부에 BMS 나 바란싱 회로 기판 연결용 너트(57)을 포함 한다.

도면 6은 각 전지 셀의 전압 온도 측정용 다수의 배선이 외부 BMS나 바란싱 회로와 연결 되지 않고 전지모듈 내부에 장착된 BMS 및 바란싱 회로 기판(63)에 연결 되어 전압 온도 측정값이 모듈간 통신망으로 연결 되는 장점을 가지는 전지 모듈의 예시적 실시 예를 제공 한다.

전지 모듈은 전기 차의 급 가속 감속 및 급 충전시 전지 셀의 고율 충 방전으로 온도 상승이 예상되는 전지 셀들의 양 측면의 냉각유로(61)와 별도로 열 폭주가 예상된 전지 셀의 극주 연결 부분에 냉매 유로가 확보 되도록 모듈의 상부 프레임 판넬(65)에 별도 닥트 구조(62)를 포함한다.

또한 전지 모둘의 상부 프레임 판넬(65)은 BMS 나 바란싱 회로 기판(63)의 유지 보수룰 위하여 별도의 상부 프레임 커버(64)을 추가 한다

도면 7은 완성된 전지 모듈의 실시 예로 상부 프레임 판넬(71) 측면 프레임 판넬(72) 터미널 커버(73) 음극 터미널 단자(74) 전압 온도 측정 배선용 코넥터 커버(75), 프레임 판넬 커버(76)을 보여 준다

도면8 은 8개의 전지 모듈이 직렬 연결 되어 구성된 동력원인 전지 팩의 실시의 예로 전지 모듈(81), 전지 모듈의 터미널 단자에 연결된 동력 케이블 (82,83), 전지 모듈의 냉각 팬(84) 극주 연결 부와 전지 모듈 측면에 냉매를 분산 하도록 설계된 냉매 유입부 닥트(85), 냉매 배기부 닥트(86)부로 구성된 전지 팩의 실시 예를 보여 준다

11: 프레임 측면 판넬
12: 측면 절연 판넬
13-1,13-2 :전지 셀 연결 카트리지
14 극주 절연바 , 다수의
15: 하부 극주 연결 바
16: 상부 전압 센싱바
17-1,17-2 : 단위 전지 셀
18: 사각 너트바
19: 원형 long 볼트
21: 극주 연결부
22: 극주 고정부
23: 셀 측면 지지대
24: 절연 스페이스 바
25: 후면 모서리 웨지(wedge)부
26: 배선 닥트
27: 원형 홀
28: 내 진동 흡수부
29: 모서리 사각홀
31: 온도 센서 고정 부
32: 전면 좌우 상하 돌출부
33: 전면 모서리 웨지(wedge)부
34: 전면 사각홀 돌출부
35: 전면 원기둥 돌출부
41: 양극 터미널 단자
42: 음극 터미널 단자
43 :전압 센싱 코네타
44: 전원 공급 코넥터
45: 터미널 단자 고정용 원형홀
46: 측면 배선용 닥트
47: 중안 배선용 닥트
51: 터미널 단자 커버
52,54: 커버 절단 윤곽선
53 센싱 코넥터 커버
55: 터미널 커버 연결 홀
56 코넥터 커버 연결 홀
57: 회로 기판 연결용 너트
61. 측면의 냉각유로
62 극주 연결부 냉각유로 닥트
63: BMS 및 바란싱 회로 기판
64: 상부 프레임 커버
65: 상부 프레임 판넬(

Claims (16)

1. 다수의 전지 셀들이 동일한 구조의 절연체의 셀 연결 카트리지의 한 면에 단위 전지 셀과 같은 모양의 공간을 형성 하고 전지 셀의 sealed면 날개가 셀 연결 카트리지 다른 면의 돌출부에 밀착 고정 반복적으로 연결 되는 것을 특징으로 하는 이차 전지 셀들의 상호 연결시스템
   셀 연결 카트리지의 재질은 난연성 ABS 수지 또는 절연성과 난연성이 뛰어난 특수 프라스틱 재질로 사출 몰드를 이용 생산 되는 특징을 가지는 연결 카트리지를 이용한 상호 연결시스템
2. 청구항 1의 셀 연결 카트리지는 상부 혹은 좌우 측면에 홈을 가져 다수의 볼트 너트 구조를 가진 도전성 연결 체를 원 터치로 끼워 넣거나 다수의 인서트 너트를 끼워 사출되는 상호 연결 시스템
3. 상호 연결되는 극주는 다수의 연결 홀을 포함 하고 상호 연결 방향으로 직각 절곡 되어 다수의 볼트 혹은 너트 구조를 가지는 도전성 연결 체와 볼트 너트 위치에 동일한 크기의 홀을 가지는 또 다른 도전성 연결체 사이에 끼워져 너트 혹은 볼트를 사용하여 연결 되는 전지 셀 상호 연결 시스템
4. 전지 셀의 면적은 같으나 두께가 다른 전지 셀을 상호 연결 하도록 전지 셀 카트리지 측면에 일정한 두께의 다수의 지지대를 포함하고 지지대의 홈에 두께가 다른 절연 스페이스 바를 결합하여 다른 규격의 셀 연결 카트리지 몰드 개발 비용 없이 겸용으로 용량이 다른 전지 셀들 예를 들어 60Ah(6mm) ,80Ah(7mm), 100,Ah(8mm)을 상호 연결할 수 있는 전지 셀 상호 연결 시스템
5. 별도의 보조 카트리지 없이 한 종류의 셀 연결 카트리지 상부면 혹은 측면의 홈에 다수의 볼트, 너트, 볼트, 너트의 위치에 동일한 홀을 가지는 도전성 연결 체들, 인접한 극주 사이의 절연바 극주 방향과 평행을 이루는 다수의 원형 홀 열을 포함하고 전지 셀의 병렬이 가능한 도전성 연결 체를 전지 모듈이 요구 하는 정격 전압(전지 셀 정격전압 X N직렬 연결 셀수)과 정격 용량 (단위 전지 셀의 정격 용량 X P 병렬 연결 셀수)에 부합 되도록 조합하여 전지 셀들을 연결 하는 상호 연결 시스템 및 전지 모듈
6. 셀 연결 카트리지 후면의 네 모서리 와 중간에 다수의 사각형 또는 원형의 홀을 포함하고 동일한 구조의 인접하는 카트리지 전면 돌출부가 후면의 다수의 사각형 또는 원형 홈 내부에 암수 형태로 결합 되는 상호 연결 시스템 상기 셀 연결 카트리지는 다수의 사각형 홀에 너트 구조의 사각 바를 원형의 홈에 원형의 볼트가 끼워져 전지 모듈의 양 측면의 프레임 판넬에 뒤틀림 없이 고정되어 다수의 전지 셀이 안정되게 결합 되는 특징을 가지는 상호 연결 시스템 및 전지 모듈
7. 셀 연결 카트리지의 상부 혹은 좌우 측면에 탭 구조를 가지는 원기둥 형태의 양극 음극 터미널 단자를 고정 할 수 있도록 다층 구조의 반원 홈을 포함하며 인접하는 연결 카트리와 결합되면 원형의 홀이 형성 되어 원기둥 형태의 단자와 원 터치로 결합되고 최후 종결 단의 전지 셀의 양극 및 음극의 극주와 볼트로 연결 되는 전지 셀의 상호 연결 시스템 및 전지 모듈
8. 다수 전지 셀의 연결 수가 가변 되어도 전지 모듈의 양극 음극 단자부를 절연하는 커버 와 각 전지 셀의 전압, 온도 측정 배선이 연결되는 커넥터를 고정하고 절연하는 커버 표면에 V 자 형 또는 윤곽선이 형성 되어 별도의 사출 몰드 비용 없이 다수 전지 셀의 연결 수에 맞추어 전지 모듈의 폭 길이와 같은 사이즈로 커버를 절단 하여 사용 할 수 있는 상호 연결 시스템
9. 다수의 전지 셀의 전압, 온도 측정을 위하여 직각으로 절곡된 전지 셀의 극주와 볼트 혹은 너트로 연결되도록 다수의 홀을 가진 상부 도전성 연결 체에 셀 전압, 셀 온도 측정용 배선을 연결 하는 코넥터를 포함하여 하네스 구조로 연결 되거나 도전성 연결 체 자체에 너트구조를 포함하여 전압, 온도 측정 회로가 구성된 PCB 기판의 측정 회로 접점이 직접 볼트로 연결되는 구조를 가지는 상호 연결 시스템
   
10. 다수 전지 셀에 연결되는 전압 온도 측정용 배선은 연결 카트리지의 상부면 혹은 측면에 다수의 배선의 통로가 되는 닥트 구조를 갖고 연결배선이 쉽게 빠져 나오지 않도록 닥트 측면 상단 양면에 배선 고정용 돌출 부를 포함하는 상호 연결시스템
11. 온도상승이 예상되는 전지 셀의 측면과 극주 연결 부분등 원하는 부분에 온도 센서를 장착 하도록 셀 연결 카트리지 전면 또는 후면에 다수 방향 의 온도센서 고정용 홀을 포함하거나 원형의 러그에 온도센서가 기구적으로 결합되어 각 전지 셀의 극주를 연결 하는 도전성 연결 체에 볼트너트 구조로 연결되는 상호 연결 시스템
12. 전지 셀들의 양측면의 냉매 유로와 별도로 고율 충방전시 급격한 온도상승이 예상되는 상부 극주 연결 부에 냉매 유로가 확보 되도록 전지 모듈의 상부 프레임 커버에 별도의 닥트 구조를 갖는 전지 셀 상호 연결시스템 및 전지 모듈
13. 고주파 용접 되는 전지 셀의 sealed 면에서 두 면이 만나는 모서리 부분은 sealed면의 두께가 일정 하지 않아 상호 결합 시 전지 셀의 sealed면이 절연체의 연결 카트리지에 손상되어 전해액이 누출될 위험이 있으므로 모서리 부분에 예측 되는 충분한 두께의 삼각형 혹은 다각형 구조의 홈을 셀 연결 카트리지 전면 후면에 포함하는 전지 셀 상호 연결 시스템
    다수의 전지 셀에 연결되는 전압 온도 측정용 배선은 연결 카트리지의 상부면 혹은 측면에 다수의 배선의 통로가 되는 닥트 구조를 갖고 연결배선이 쉽게 빠져 나오지 않도록 닥트 측면 상단 양면에 배선 고정용 돌출 부를 포함하는 상호 연결시스템
14. 전지 모듈의 양 종결 단의 극주와 연결되는 터미널 단자는 원통형 너트 구조로 도전성이 우수한 구리 합금 또는 순수 구리 재질로 만들어 지며 판상 구조의 연결체와 결합되고 전지 모듈 상부 혹은 측면의 원통형 홀에 원터치로 끼워 연결되는 특징을 가지거나 혹은 판상 구조의 연결 체는 열 폭주 현상을 방지 하도록 직각 구조로 절곡 되지 않는 특징을 갖는 전지 셀 상호 연결 시스템 및 전지 모듈
15. 전지 모듈 또는 연결 카트리지의 하부에 전지 셀이 외부 진동으로부터 견딜 수 있도록 방진 디바이스를 장착 할 수 있는 다수의 원형 또는 다각형 홈을 갖는 상호 연결 시스템 및 전지 모듈
16. 전지 모듈 상부에 BMS 혹은 바란싱 회로를 고정 할 수 있는 볼트 혹은 너트 구조의 연결 체가 측면 판 혹은 모듈 상부에 결합되어 BMS 혹은 바란싱 회로를 전지 모듈 내부에 포함하거나 유지 보수를 위하여 전지 모듈의 상부를 고정하는 상부 프레임 판넬과 별도로 상부 프레임 커버를 볼트 너트 구조로 연결 하여 전지 팩으로부터 전지 모듈을 해체 하지 않고 상부 프레임 커버를 open하여 BMS 혹은 바란싱 회로의 유지 보수가 가능 하는 특징을 가지는 상호 연결 시스템 및 전지 모듈
    
    
    

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