KR20200075478A - 힌지 구조를 포함하는 버스바 프레임 및 이를 포함하는 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 전지셀들 간의 전기적인 연결을 위한 버스바 프레임으로서, 상기 전지셀들을 포함하는 전지셀 어셈블리의 장축 방향 일측면과 대면하는 상면부, 상기 상면부의 양측 끝단과 각각 연결되며 전지셀 어셈블리의 전극단자와 결합하는 단자부, 및 상기 단자부와 연결되며 상기 전지셀 어셈블리의 장축 방향 타측면과 대면하는 하면부를 포함하고, 상기 상면부와 단자부의 연결, 및 상기 단자부와 하면부의 연결 가운데 어느 하나 이상은 힌지 구조에 의해 이루어지는 버스바 프레임에 대한 것이다.

Description

힌지 구조를 포함하는 버스바 프레임 및 이를 포함하는 전지팩 {Bus bar Frame Comprising Hinge Structure and Battery Pack Comprising the Same}
본 발명은 힌지 구조를 포함하는 버스바 프레임 및 이를 포함하는 전지팩에 대한 것이다.
화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량이 주요 대기오염원으로 지적되면서, 이에 대한 방안으로서 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이에 대한 에너지원으로서 이차전지에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
이와 같이 대용량을 필요로 하는 디바이스에 사용되는 이차전지는 다수의 전지셀들이 배열된 구조의 전지셀 어셈블리 내지 전지모듈의 형태로 사용된다.
상기 전지셀 어셈블리 또는 전지모듈은 디바이스의 다양한 운용 환경의 영향을 받을 수 있는 바, 물리적 손상에 따른 성능 저하 내지 안전성이 파괴되는 문제를 방지하기 위하여, 외면을 감싸는 구조의 외장 부재들을 적용하는 구조로 이용될 수 있다.
상기 전지모듈은 전지셀 외측에 배치되는 프레임이나 플레이트 등이 서로 힌지 결합되게 하는 힌지 구조를 포함하고 있다. 그러나, 상기 힌지 구조 중 일체형 구조는 반복적인 개폐 동작에 의해 그 구조에 백화현상이 발생하거나 심한 경우 파손되는 등 내구성이 약한 문제가 있다. 또한, 종래 힌지 구조 중 분리형 구조는 그 결합 부위를 통해 전지셀이 노출되는 바, 절연을 위해서는 추가적으로 레진 작업 등을 해야 하는 문제점이 있다.
또한, 전지모듈의 하면을 포함하여 상면 및 측면을 감싸는 구조의 버스바 프레임을 사용하는 경우, 전지모듈의 절연성을 향상시킬 수 있으나, 전지모듈에 버스바 프레임 장착시 전지모듈을 충격하여 전지모듈이 손상되는 문제가 발생한다.
이와 관련하여, 특허문헌 1은 배터리셀유닛의 일측면에 배치되는 상부플레이트와 배터리셀유닛의 다른 측면에 배치되는 버스바프레임이 힌지 구조에 의해 서로 결합되는 배터리셀 모듈의 힌지 구조를 개시하고 있다.
상기 특허문헌 1은 배터리셀유닛의 외면 가운데 2개의 측면에 각각 위치하는 상부플레이트와 버스바프레임을 고정하기 위하여 1개의 힌지 구조를 사용하고 있다.
특허문헌 2는 전지셀 어셈블리의 외면들 중에서 각각 적어도 1개의 외면을 감싸며, 가역적 결합 방식의 힌지 구조로 상호 결합되어 있는 제1외장 부재 및 제2외장 부재를 포함하는 전지모듈을 개시하고 있다. 그러나, 특허문헌 2는 전지셀 어셈블리의 전극단자가 위치하는 외면과 연결되는 상면 및 하면을 모두 감싸는 형태의 버스바 프레임을 사용시 전지셀 어셈블리가 손상되는 것을 방지할 수 있는 구조를 개시하지 못하고 있다.
이와 같이, 전지셀 어셈블리를 장축 방향으로 감싸는 구조의 버스바 프레임으로서, 전지셀 어셈블리 전극단자와 결합되는 부분을 포함하면서, 전지셀 어셈블리에 장착시 전지셀 어셈블리가 손상되는 것을 방지할 수 있는 구조를 포함하는 버스바 프레임에 대한 필요성이 높은 실정이다.
한국 공개특허공보 제2018-0078777호 (2018.07.10) 한국 공개특허공보 제2017-0141402호 (2017.12.26)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전지셀들 간의 전기적인 연결이 가능하고, 전지팩 케이스에 대한 절연성을 확보할 수 있으면서, 전지셀 어셈블리의 외면에 안정적으로 장착할 수 있는 구조로 이루어진 버스바 프레임 및 이를 포함하는 전지팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 일 실시예는,
복수의 전지셀들 간의 전기적인 연결을 위한 버스바 프레임으로서, 상기 전지셀들을 포함하는 전지셀 어셈블리의 장축 방향 일측면과 대면하는 상면부, 상기 상면부의 양측 끝단과 각각 연결되며 전지셀 어셈블리의 전극단자와 결합하는 단자부, 및 상기 단자부와 연결되며 상기 전지셀 어셈블리의 장축 방향 타측면과 대면하는 하면부를 포함하고, 상기 상면부와 단자부는 제1힌지를 이용하여 회전 가능하게 연결되고, 상기 단자부와 하면부는 제2힌지를 이용하여 회전 가능하게 연결될 수 있다.
상기 제1힌지는 90도 내지 180도의 범위에서 회전 가능하고, 상기 제2힌지는 90도 내지 270도의 범위에서 회전 가능하도록 구성될 수 있다.
상기 버스바 프레임에서 전극단자 결합부를 제외한 부분은 절연 물질로 이루어질 수 있다.
상기 상면부에는 전지셀을 제어하기 위한 신호를 송수신할 수 있는 회로기판이 안착되기 위한 홈이 형성될 수 있다.
상기 단자부에는, 상기 상면부와 단자부가 이루는 각도가 90도 보다 작아지지 않도록 제1걸림턱이 형성될 수 있다.
상기 하면부에는, 상기 단자부와 하면부가 이루는 각도가 90도 보다 작아지지 않도록 제2걸림턱이 형성될 수 있다.
상기 단자부와 하면부가 이루는 각도가 270도 보다 커지지 않도록 상기 하면부의 회전을 제한하는 구조를 포함할 수 있다.
상기 하면부는 상기 단자부와 연결된 상태로 연장되어 상기 전지셀 어셈블리의 장축 방향 타측면의 양측 끝단부를 감싸는 크기로 이루어진다.
본 발명은 또한, 상기 버스바 프레임을 포함하는 전지팩, 및 상기 전지팩을 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전력저장시스템 또는 전기자전거일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 버스바 프레임은 전지셀 어셈블리의 외면을 감싸는 각 부분들의 연결을 위해 힌지 구조를 사용하기 때문에, 버스바 프레임의 각 부분을 회전함으로써 개방 상태 및 폐쇄 상태로 변형이 가능한 바, 전지셀 어셈블리에 대한 용이한 장착이 가능하다.
또한, 힌지 구조에 의해 개방된 형태로 장착이 가능한 바, 전지셀 어셈블리의 엣지(edge) 부분에 버스바 프레임이 충돌하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 버스바 프레임에서 전기적인 연결이 필요한 부분 이외의 부분이 절연 소재로 이루어지는 바, 전지모듈의 절연성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전지팩의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 버스바 프레임의 사시도이다.
도 3은 제1힌지의 부분 확대도이다.
도 4는 제2힌지의 부분 확대도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 전지팩의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 버스바 프레임의 사시도이며, 도 3은 제1힌지의 부분 확대도이고, 도 4는 제2힌지의 부분 확대도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 전지팩은 복수의 전지셀들을 포함하는 전지셀 어셈블리(120), 전지셀 어셈블리(120)를 감싸는 구조의 버스바 프레임(130), 버스바 프레임(130)이 장착된 상태의 전지셀 어셈블리(120)를 삽입하는 모노프레임(110) 및 모노프레임(110)의 개방 끝단에 결합하는 엔드 플레이트(141, 142)로 구성될 수 있다.
버스바 프레임(130)의 상면에는 홈이 형성되어 있는 바, 상기 홈에는 온도 센서 등 전지셀을 제어하기 위한 신호를 송수신할 수 있는 회로기판이 안착될 수 있다.
전지셀 어셈블리(120)는 복수개의 전지셀들이 적층되어 형성되며, 일반적으로 파우치형 전지셀의 장방형 평면이 서로 인접하게 밀착배열 되도록 적층된다.
도 1의 전지셀 어셈블리(120)는 6개의 파우치형 전지셀이 병렬 연결 또는 직렬 연결된 구조를 도시하고 있으나, 전지셀 어셈블리를 구성하는 전지셀의 개수는 이에 한정되지 않는다. 또한, 전지셀 어셈블리(120)와 같은 구조를 2 이상 포함할 수 있다.
상기 전지셀들은 버스바 프레임(130)에 의해 서로 전기적으로 연결된다.
버스바 프레임(130)은 전지셀 어셈블리(120)의 외면에 배치되는 바, 도면 상 전지셀 어셈블리(120)의 상면, 측면 및 하면의 양측 끝단을 감싸는 구조로 이루어진다.
버스바 프레임(130)은 전지셀 어셈블리(120)의 장축 방향(A) 일측면과 대면하는 상면부(131), 상면부(131)의 양측 끝단과 각각 연결되며 전지셀 어셈블리의 전극단자(121)와 결합하는 단자부(132) 및 단자부(132)와 연결되며 전지셀 어셈블리(120)의 장축 방향 타측면과 대면하는 하면부(133)를 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상면부(131)와 단자부(132)는 제1힌지(151)를 이용하여 회전 가능하게 연결된다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 단자부(132)와 하면부(133)는 제2힌지(152)를 이용하여 회전 가능하게 연결된다.
버스바 프레임(130)은 전지셀 어셈블리(120)의 상측 방향에서 하향이동하여 전지셀 어셈블리(120) 외면에 결합될 수 있다. 이 때, 제1힌지(151)의 회전 각도(상면부(131)와 단자부(132) 사이의 각도)는 90도 이상이고, 제2힌지(152)의 회전 각도(단자부(132)와 하면부(133) 사이의 각도)는 180도 이상인 경우 안정적인 체결이 가능한 바, 제2힌지(152)는 제1힌지(151)보다 더 큰 각도 범위에서 회전 가능하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 제1힌지(151)는 90도 내지 180도의 범위에서, 제2힌지(152)는 90도 내지 270도의 범위에서 회전 가능하도록 구성될 수 있다.
상면부(131)와 단자부(132)가 이루는 각도가 90도 보다 작으면, 버스바 프레임(130)을 전지셀 어셈블리(120)에 결합하는 과정에서 단자부(132)가 전지셀 어셈블리(120)와 충돌할 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 단자부(132)에는 상면부(131)와 단자부(132)가 이루는 각도가 90도 보다 작아지지 않도록 제1걸림턱(134)이 형성될 수 있다. 제1걸림턱(134)은 상면부(131)와 단자부(132)가 이루는 각도가 90도인 상태에서 상면부(131)에 접촉되어 더 이상 회전하지 못하도록 회전을 제한하는 역할을 할 수 있다. 도 3에는 제1걸림턱(134)이 단자부(132)에 형성되는 것으로 도시하였으나, 제1걸림턱(134)은 상면부(131)의 하면에 형성되어 제1힌지(151)의 회전 각도가 90보다 작아지지 않도록 제한할 수 있다.
단자부(132)는 전지셀 어셈블리(120)가 모노프레임(110)과 같은 전지팩 프레임에 수납된 상태에서 엔드 플레이트(141,142)와 대면하는 위치에 있기 때문에, 외부에서 엔드 플레이트(141,142)에 대해 수직 방향으로 압력이 인가되는 경우, 그 충격에 의해 단자부(132)가 전지셀 어셈블리(120) 방향으로 변형될 수 있다. 제1걸림턱(134)과 같은 구조가 부가되는 경우, 단자부(132)가 전지셀 어셈블리(120) 방향으로 변형되는 것이 최소화될 수 있다. 즉, 제1걸림턱(134)은 버스바 프레임(130)과 전지셀 어셈블리(120)가 원활하게 결합될 수 있도록 제1힌지(151)의 회전 각도를 제한하는 기능 외에도, 엔드 플레이트(141,142)에 대해 외부에서 인가되는 힘에 의해 전지셀 어셈블리(120)가 손상될 위험을 감소시키는 부가적인 효과가 있다.
도 4를 참조하면, 하면부(133)에는 제2걸림턱(135)이 형성될 수 있다. 제2걸림턱(135)은 단자부(132)와 하면부(133) 사이의 각도가 90도인 상태에서 단자부(132)에 접촉되어, 제2힌지(152)의 회전 각도가 90도 이하가 되지 않도록 구성될 수 있다. 이로 인해, 단자부(132)와 하면부(133)가 이루는 각도가 90도보다 작아짐으로써 전지셀 어셈블리(120)가 손상되는 것을 방지하고, 조립 과정에 대한 정밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.
다만, 하면부(133)는 전지팩 프레임에 수납된 상태에서 전지팩 프레임의 하면과 대면하는 위치에 있는 바, 전지팩 프레임의 하면에서 충격이 인가되더라도 변형 가능성이 상대적으로 낮으므로, 제2걸림턱(135)은 경우에 따라 생략될 수 있다.
한편, 단자부(132)와 하면부(133)의 각도, 즉 제2힌지(152)의 회전 각도가 270도 보다 커지면 하면부(133)가 전극단자와 충돌하여 전극단자가 손상될 수 있다. 따라서, 상기 단자부(132)와 하면부(133)가 이루는 각도가 270도 보다 커지지 않도록 하면부(133)의 회전을 제한하는 회전 제한 구조가 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시한 바와 같이, 단자부(132)의 제2힌지(152) 인접부에 돌기(136)가 형성될 수 있다. 돌기(136)는 제2힌지(152)의 회전 각도가 270도인 경우 하면부(133)에 접촉되도록 구성될 수 있다.
또는 도 4에 도시된 바와 달리, 하면부(133)의 회전을 제한하는 구조는 하면부(133)에 형성될 수 있음은 물론이다.
또한, 상면부(131)와 단자부(132)의 각도, 즉 제1힌지(151)의 회전 각도가 180도 보다 큰 경우에는, 버스바 프레임의 형태가 반전되는 형상이 되기 때문에 조립성이 낮아질 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 도시하지는 않았으나 상면부(131) 또는 단자부(132)의 제1힌지(151) 인접부에도 제1힌지(151)의 회전 각도가 180도 이상이 되지 않도록 제한하는 회전 제한 구조가 형성될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 제1힌지(151)는 상면부(131)와 단자부(132)의 접선 전체 부분에 적용될 수 있고, 또는, 부분적으로 직용될 수 있다. 마찬가지로, 제2힌지(152)는 단자부(132)와 하면부(133)의 접선 전체 부분에 적용될 수 있고, 또는 부분적으로 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 버스바 프레임(130)과 전지셀 어셈블리(120)의 결합 과정을 예시적으로 설명한다.
버스바 프레임(130)을 전지셀 어셈블리(120)에 장착시, 상면부(131)와 단자부(132)가 이루는 각도가 90도 이상인 상태가 되도록 제1힌지(151)를 회전한 상태에서 상면부(131)가 전지셀 어세블리(120)의 상면에 장착되도록 위치시킨다. 이 때, 하면부(133)와 전지셀 어셈블리(120)의 충돌을 방지하기 위하여, 제2힌지(152)의 회전 각도는 180도 이상을 유지하는 것이 바람직하다.
상면부(131)를 전지셀 어셈블리(120)의 상면에 장착 후 제1힌지를 회전하여 단자부(132)의 전극단자 결합부와 전극단자를 연결시키고, 전지셀 어셈블리(120)의 하면과 버스바 프레임(130)의 하면부(133)가 대면하도록 제2힌지(152)를 회전한다.
추가적으로, 하면부(133)가 전지셀 어셈블리(120)의 하면과 대면하도록 절곡된 상태를 유지시키기 위하여, 절곡된 상태의 하면부(133)를 연결시킬 수 있는 구조(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 버스바 프레임(130)은 전지셀들의 전기적인 연결을 위한 전극단자 결합부를 포함하는 바, 상기 전극단자 결합부를 제외한 적어도 일부분은 절연 물질로 이루어질 수 있다. 이와 같이 절연 물질로 이루어진 부분을 포함하는 버스바 프레임을 사용하는 경우에는 전기적인 연결을 안정적으로 유지할 수 있으면서, 전지셀 어셈블리의 절연성도 확보할 수 있다.
본 발명에 따른 전지팩은 전지셀 어셈블리(120)에 버스바 프레임(130)이 장착된 상태에서 모노프레임(110)에 장착하고, 엔드 플레이트(142)를 결합하는 과정을 통해 완성될 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100: 전지팩
110: 모노프레임
120: 전지셀 어셈블리
121: 전극단자
130: 버스바 프레임
131: 상면부
132: 단자부
133: 하면부
134: 제1걸림턱
135: 제2걸림턱
136: 돌기
141, 142: 엔드 플레이트
151: 제1힌지
152: 제2힌지
A: 장축 방향

Claims (10)

  1. 복수의 전지셀들 간의 전기적인 연결을 위한 버스바 프레임으로서,
    상기 전지셀들을 포함하는 전지셀 어셈블리의 장축 방향 일측면과 대면하는 상면부;
    상기 상면부의 양측 끝단과 각각 연결되며 전지셀 어셈블리의 전극단자와 결합하는 단자부; 및
    상기 단자부와 연결되며 상기 전지셀 어셈블리의 장축 방향 타측면과 대면하는 하면부;
    를 포함하고,
    상기 상면부와 단자부는 제1힌지를 이용하여 회전 가능하게 연결되고, 상기 단자부와 하면부는 제2힌지를 이용하여 회전 가능하게 연결되는 버스바 프레임.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1힌지는 90도 내지 180도의 범위에서 회전 가능하고, 상기 제2힌지는 90도 내지 270도의 범위에서 회전 가능하도록 구성되는 버스바 프레임.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 버스바 프레임에서 전극단자 결합부를 제외한 부분은 절연 물질로 이루어진 버스바 프레임.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상면부에는 전지셀을 제어하기 위한 신호를 송수신할 수 있는 회로기판이 안착되기 위한 홈이 형성되어 있는 버스바 프레임.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단자부에는, 상기 상면부와 단자부가 이루는 각도가 90도 보다 작아지지 않도록 제1걸림턱이 형성되어 있는 버스바 프레임.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하면부에는, 상기 단자부와 하면부가 이루는 각도가 90도 보다 작아지지 않도록 제2걸림턱이 형성되어 있는 버스바 프레임.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 단자부와 하면부가 이루는 각도가 270도 보다 커지지 않도록 상기 하면부의 회전을 제한하는 구조를 포함하는 버스바 프레임.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하면부는 상기 단자부와 연결된 상태로 연장되어 상기 전지셀 어셈블리의 장축 방향 타측면의 양측 끝단부를 감싸는 크기로 이루어진 버스바 프레임.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 버스바 프레임을 포함하는 전지팩.
  10. 제 9 항에 따른 전지팩을 포함하는 디바이스로서,
    상기 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전력저장시스템 또는 전기자전거인 디바이스.
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