KR100627306B1 - 이차 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수개의 개별전지를 연결하여 대용량의 전지모듈을 구성함에 있어서, 개별전지의 연결구조를 단순화하여 연결작업 및 교체작업에 소요되는 시간과 노력을 줄일 수 있도록, 다수개의 단위전지와 각 단위전지를 전기적으로 연결하는 도전체를 포함하는 전지모듈에 있어서, 상기 도전체는 상기 단위전지의 단자에 대응되는 홈이 형성되어 단자에 끼워져 체결되는 이차 전지를 제공한다.

단위전지, 전지모듈, 단자, 도전체, 홈

Description

이차 전지{SECONDARY BATTERY}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 일부 구성을 도시한 측 단면도,

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 일부 구성을 도시한 평 단면도,

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이차 전지의 일부 구성을 도시한 측 단면도,

도 5는 종래기술에 따른 이차 전지를 도시한 분해 사시도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고출력 대용량 전지에 있어서 단위 전지간 연결구조를 개선시킨 이차 전지에 관한 것이다.

최근들어 고에너지 밀도의 비수전해해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지를 복수개 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구 성하게 된다.

이와같이 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 고출력 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)로 이루어지며, 상기 각각의 단위전지는 양극판과 음극판이 격리판을 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀페하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체으로 돌출되고 상기 전극 조립체에 구비된 양,음극판의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.

그리고 각각의 단위전지를 직렬로 연결하여 전지모듈(100)을 구성하기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이 각 단위전지(111)의 캡 조립체(113) 상부로 돌출된 양극단자(114) 및 음극단자(115)가 이웃하는 단위전지(111)의 양극단자(114) 및 음극단자(115)와 엇갈리도록 각 단위전지(111)를 교차 배열하고, 나사가공된 음극단자(115)와 양극단자(114)간에 너트(117,118)를 매개로 도전체(116)를 연결설치하는 구조로 되어 있다.

즉, 각 단자(114,115)는 수나사로 이루어지고, 각 단자에 일차적으로 너트(117)가 체결되며, 상기 너트(117) 위에 일측 단위전지(111)의 양극단자(114)와 다음 단위전지(111)의 음극단자(115)를 전기적으로 연결하는 도전체(116)가 끼워지며 상기 도전체(116) 위에 다시 너트(118)가 체결되어 도전체(116)를 고정시키는 구조로 되어 있다.

그러나 상기한 종래의 구조는 수 개에서 많게는 수십 개의 개별전지를 연결 시켜 하나의 전지모듈을 구성함에 있어, 도전체를 연결시키기 위해 네 개의 너트를 각 단자에 체결해야 하므로 작업이 힘들고 시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.

또한, 일부 개별 전지에 이상이 발생한 경우 이를 교체하기 위해서는 또 많은 수의 너트를 풀어 주어야 하고 다시 체결해야 하므로 유지 관리 역시 많은 인력과 시간이 소요된다.

또한, 각 단자와 도전체 간의 접촉면적이 적어 전기 전도율이 떨어지는 문제점이 있다.

특히, HEV(Hybrid Electric Vehicle)용의 대용량 이차 전지의 경우 단위전지의 개수가 수십 개에 이르므로 상기한 문제가 더욱 커지게 된다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 다수개의 개별전지를 연결하여 대용량의 전지모듈을 구성함에 있어서, 개별전지의 연결구조를 단순화하여 연결작업 및 교체작업에 소요되는 시간과 노력을 줄일 수 있도록 된 이차 전지를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 각 개별전지 연결시 단자와의 접촉면적을 극대화하여 전기 전도율을 높일 수 있도록 된 이차 전지를 제공함에 또다른 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 단위전지와 단위전지를 전기적으로 연결하여 전지모듈을 구성함에 있어서 단위전지와 단위전지를 연결하는 체결구가 자체 고정력에 의해 각 단자에 끼워져 체결되고 단자와의 접촉면적을 극대화함 을 그 요지로 한다.

이를 위해 본 발명의 이차 전지는, 다수개의 단위전지와 단위전지의 단자간에 전기적으로 연결되는 도전체를 포함하는 전지모듈에 있어서, 상기 도전체는 상기 단위전지의 단자에 대응되는 홈이 형성되어 단자에 끼워지는 구조로 되어 있다.

여기서 상기 이차 전지는 HEV 용 이차 전지일 수 있다.

상기 도전체는 일측 단위 전지의 양극단자 또는 음극단자와 이웃하는 단위전지의 음극단자 또는 양극단자와 연결되며, 이에 따라 도전체에는 두 개의 홈이 단위전지의 단자간 간격에 맞춰 형성된다.

상기 도전체에 형성되는 홈은 그 단면형태가 단자의 단면형태와 동일한 구조로 이루어지고, 그 크기는 단자의 크기와 같거나 약간 작도록 하여, 도전체가 단자에 억지끼움식으로 체결되어 단자와 밀접하게 접하고 체결력을 높일 수 있도록 함이 바람직하다.

여기서 상기 단위전지는 양극판과 음극판이 격리판을 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 양,음극판의 집전체와 전기적으로 연결되고 상기 캡 조립체 외측으로 돌출되는 양극단자와 음극단자를 포함한다.

또한, 상기 도전체에 형성되는 홈의 깊이는 단자의 길이와 비교하여 전극의 길이보다 짧은 구조로 되어 있다. 이는 단자에 도전체를 설치하였을 때 도전체 하단과 단자가 설치되는 캡 조립체 사이에 틈새를 형성하여 금속재질의 캡 조립체와 도전체가 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위함이다.

삭제

바람직하게는 상기 캡 조립체와 도전체 사이에 절연재질의 부도체가 더욱 삽입될 수 있다.

한편, 상기 단자는 전도율을 높일 수 있도록 표면에 은 등의 전기전도성이 우수한 재질의 도막이 더욱 형성됨이 바람직하다.

또한, 상기 단자 및 단자에 대응되는 상기 도전체의 홈은 그 단면구조가 사각형태 또는 원형태로 이루어질 수 있으나, 특별히 이에 한정되지 않으며 다각형태 예컨대, 오각형이나 육각형 등의 구조나 접촉면적을 극대화시킬 수 있는 형태 예컨대, 스플라인(spline) 형태나 십자형태 등의 구조 또한 적용가능하다 할 것이다.

한편, 본 발명의 또다른 실시예에 따르면 상기 홈은 일 진행방향을 따라 크기가 연속적으로 작아져 경사면을 이루는 구조로 되어 있다.

그리고 상기 단자 또한 길이방향을 따라 상기 채널과 동일한 경사도로 가공된 구조로 되어 있다.

이에 따라 단자에 도전체의 홈을 끼워 넣는 것으로 두 개의 이웃하는 단위전지가 전기적으로 직렬연결되면서, 도전체의 홈 내주면과 단자 외주면의 강한 마찰력에 의해 도전체가 단위전자에 체결 고정될 수 있는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 일부 구성을 도시한 측 단면도이 며, 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 일부 구성을 도시한 평 단면도이다.

먼저 대용량의 전지모듈(10)을 이루는 각 단위전지(11)의 구조를 살펴보면 양극판과 음극판이 격리판을 사이에 두고 위치하는 전극 조립체(도시되지 않음)와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스(12), 상기 케이스(12)와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체(13), 상기 양,음극판의 집전체와 전기적으로 연결되고 상기 캡 조립체(13) 외측으로 돌출되는 양,음극단자(14,15)를 포함한다.

상기 케이스(12)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극 조립체가 위치하는 내부 공간부를 가진 육면체 또는 그 이외의 형상으로 이루어진다.

그리고 본 실시예에서 상기 각 단위전지(11)는 캡 조립체(13) 위로 두 개의 단자(양극단자(14)와 음극단자(15))가 간격을 유지한 상태로 돌출된 구조로 되어 있다.

상기한 구조의 각 단위전지(11)는 대용량의 전지모듈(10)을 구성하기 위하여, 단자(14,15)가 상부를 향하는 상태로 놓여지고 일측 단위전지(11)의 캡 조립체(13) 상부로 돌출된 양극단자(14) 및 음극단자(15)가 이웃하는 단위전지(11)의 양극단자(14) 및 음극단자(15)와 엇갈리도록 교차 배열된다.

이에 따라 단위전지(11)의 중앙을 기준으로 양쪽에 각각 양극단자와 음극단자가 반복되면서 일정간격으로 늘어서는 단자열이 형성된다.(즉, 상기 단자열은 극성이 교차되는 단자들이 일렬로 늘어서 이루어지는 하나의 라인으로 이해될 수 있 다.)

상기한 구조의 전지 모듈에 있어서, 본 이차 전지는 각 단위전지(11)를 직렬로 연결시키기 위하여 이웃하는 단위전지(11)간의 양극단자(14)와 음극단자(15)를 전기적으로 연결시키는 도전체(20)가 장착되며, 상기 도전체(20)는 각 단위 전지의 단자(14,15)에 대응되는 위치에 홈(21)이 형성되어 각 단자에 끼워져 체결되는 구조로 되어 있다.

상기 도전체(20)에 형성되는 홈(21)은 그 단면형태가 단자의 단면형태와 동일한 구조로 이루어지고, 그 크기는 단자의 크기와 같거나 약간 작도록 하여, 도전체(20)가 단자(14,15)에 억지끼움식으로 체결되도록 한다.

이에 따라 도전체(20)는 단자에 체결되는 과정에서 도전체(20)의 홈(21)에 단자가 억지로 끼움식으로 강제 삽입되며 도전체(20)의 홈(21) 내주면과 단자(14,15)의 외주면이 강력하게 밀착되어 상호간의 마찰력에 의해 고정체결된 상태를 유지하게 되는 것이다.

즉, 도전체(20)의 홈(21)으로 단자가 끼워지면서 홈(21) 내측면이 단자의 외측면에 접하면서 이때 양자간의 접면에서 발생되는 마찰력으로 도전체(20)가 단위전지에 설치된 상태가 유지되고, 따라서 도전체(20)를 단자에 끼우는 것으로 간단히 각 단위 전지(11)를 전기적으로 연결하여 전지모듈(10)을 이룰 수 있으며 장착된 도전체(20)를 단자에서 빼내는 것으로 손쉽게 단위 전지를 교환할 수 있게 된다.

상기 단자를 도전체(20)의 홈(21)으로 끼우거나 단자로부터 도전체(20)를 빼 내기 위해서는 헤머 등의 별도 치구 또는 장치가 이용될 수 있다.

도 1은 도전체(20)가 단위전지에 설치된 상태를 잘 예시하고 있는 데, 상기한 도면에 의하면, 일측 단위전지(11)의 양극단자(14)와 다음에 놓여져 있는 단위전지(11)의 음극단자(15)에 도전체(20)가 끼워져 전기적으로 연결되고 상기 다음 단위전지(11)의 다른쪽 단자열에 위치한 양극단자(14)는 그 다음에 놓여져 있는 단위전지(11)의 음극단자(15)와 도전체(20)를 매개로 연결되어 전체 단위전지(11)가 직렬로 연결되는 것이다.

또한, 상기 도전체(20)에 형성되는 홈(21)의 깊이는 단자(14,15)의 길이와 비교하여 단자의 길이보다 짧은 구조로 되어 있다.

이에 따라 도전체(20)를 단위 전지의 단자(14,15)에 설치하게 되면 도전체(20)의 홈(21)에 단자가 완전히 삽입된다 하더라도 단자의 하단 즉, 단자가 설치되는 캡 조립체(13)와 도전체(20)의 하단 사이에는 틈새가 형성되게 된다.

이 틈새에 의해 도전체(20)와 캡 조립체(13)는 서로 떨어져 있게 되어 전기적으로 통하지 않게 되고 따라서 금속재질의 캡 조립체(13)와 도전체(20)가 전기적으로 연결되는 것을 방지할 수 있게 되는 것이다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이 더욱 바람직하게는 상기 캡 조립체와 도전체(20) 사이에 절연재질의 부도체(40)가 더욱 삽입된다.

상기 부도체(40)는 전기를 통하지 않는 재질로 도 2에서와 같이 단자에 개별적으로 설치되며, 중앙에는 단자에 끼워질 수 있도록 홀이 형성된다.

이러한 부도체가 도전체(20)와 캡 조립체 사이에 삽입됨으로써 도전체(20) 와 캡 조립체 사이의 틈새에서 혹시라도 발생될지 모를 통전을 확실히 방지할 수 있게 되는 것이다.

여기서 본 이차 전지는 상기한 구조로 되어 도전체(20)의 홈(21) 내측면 전체가 단자와 접하여 그 접촉면적이 종래와 비교하여 현저하게 늘어나게 되며, 이에 따라 도전체(20)와 단자(14,15)간의 전도율을 극대화시킬 수 있게 된다.

또한, 전도율을 높이기 위해 본 이차 전지는 상기 단자의 표면 또는/ 및 상기 도전체(20)의 홈(21) 내측면에 은 등의 전기전도성이 우수한 재질의 도막(30)을 더욱 형성한다.

그리고 본 실시예에서 상기 단자(14,15) 및 도전체(20)의 홈(21)은 도 3a에서와 같이 원형단면구조로 이루어지나 이에 한정되지 않으며, 예컨대 도 3b 내지 도 3d에 도시된 바와 같이 사각형 단면구조나 스플라인형태의 단면구조 또는 십자형 단면구조로 이루어질 수 있다.

한편, 본 이차 전지의 또다른 실시예에 따르면 도전체의 용이한 설치와 분리를 위해 단위 전지에 설치되는 단자와 이 단자가 끼워지는 도전체의 홈은 길이 방향으로 동일한 각도의 경사면이 형성될 수 있다.

이하 설명에서는 단자와 홈의 단면구조가 원형인 경우를 예로써 설명한다. 그러나 이에 한정되지 않으며 위에서 언급된 다양한 단면구조의 단자와 홈 또한 모두 적용가능하다 할 것이다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이 각 단위 전지(11)에 설치되는 단자(14,15)는 길이방향을 따라 일측 끝단에서 다른쪽 끝단(여기서는 캡 조립체(13) 쪽 선단에서 상부 자유단까지) 내경이 점차적으로 작아져 일정 경사각(α)으로 기울어진 경사면을 이루는 구조로 되어 있고, 상기 단자(14,15)가 끼워지는 도전체(20)의 홈(21) 또한 내측을 향해 상기 경사각(α)과 동일한 각도로 연속적으로 작아져 동일한 기울기의 경사면이 형성된 구조로 되어 있다.

따라서 최초 도전체(20)의 홈(21)으로 단자가 끼워질 때는 직경이 작은 쪽이 직경이 큰 홈(21)으로 삽입됨에 따라 단자를 용이하게 홈(21)으로 끼워넣을 수 있게 되고, 최종적으로 단자(14,15)의 외주면이 도전체(20)의 홈(21) 내측면과 밀착되면서 그 마찰력에 의해 도전체(20)가 단자에 고정되는 것이다.

여기서 상기 단자와 홈(21)에 형성되는 경사면은 각각의 중심축선에 대해 한쪽면만이 경사져 구배(勾配)를 이루거나, 서로 상대하는 양 측면이 대칭적으로 경사져 테이퍼(taper)를 이룰 수 있으며, 연속적인 경사면이 부여되어야 함을 제외하고 특별히 한정되지 않는다.

도 4에서 도면부호 (30)은 언급한 바와 같이 단자와 도전체(20) 사이의 전도율을 높이기 위해 단자의 표면 또는/및 상기 홈(21) 내측면에 코팅되는 은 등의 도막이며, 도면 부호 (40)은 도전체(20)와 캡 조립체(13) 사이에 삽입되어 두 부재 사이를 절연시키기 위한 부도체이다.

상기에서는 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.

이와 같이 본 실시예에 따르면, 도전체를 전지에 용이하게 체결할 수 있고 수리시 간단히 분리하여 원하는 단위 전지를 교체할 수 있게 된다.

또한, 단위 전지의 각 단자와 도전체 사이의 도전율을 높여 전지의 성능을 극대화시킬 수 있게 된다.

또한, 하나의 부품을 통해 단위전지간 연결이 이루어짐에 따라 설치가 용이하고 작업량을 줄일 수 있게 된다.

Claims (13)

1. 다수개의 단위전지와 각 단위전지를 전기적으로 연결하는 도전체를 포함하는 전지모듈에 있어서,

   상기 도전체는 상기 단위전지의 단자에 대응되는 홈이 형성되고,

   상기 홈은 그 단면형태가 단자의 단면형태와 동일하고, 그 단면크기는 단자보다 작아 도전체가 단자에 억지끼움식으로 체결되는 이차 전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 이차 전지는 HEV(Hybrid Electric Vehicle)의 모터 구동용인 이차 전지.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 홈은 내측 선단을 향해 단면크기가 연속적으로 작아져 경사면을 이루고, 상기 단자는 길이방향을 따라 상기 채널에 대응되는 경사면이 형성된 이차 전지.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 홈은 그 깊이가 단자의 길이보다 짧아 상기 도전체와 상기 캡 조립체 사이에 틈새가 형성되는 이차 전지.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 틈새에 절연재질의 부도체가 더욱 설치되는 이차 전지.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 단자는 표면에 단자보다 전기전도성이 높은 재질의 도막이 코팅된 이차 전지.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 홈 내측면에 상기 도전체 보다 전기전도성이 높은 재질의 도막이 코팅된 이차 전지.
9. 제 4 항에 있어서, 상기 홈과 이에 대응하는 단자는 그 단면이 원형태인 이차 전지.
10. 제 4 항에 있어서, 상기 홈과 이에 대응하는 단자는 그 단면이 사각형태인 이차 전지.
11. 제 4 항에 있어서, 상기 홈과 이에 대응하는 단자는 그 단면이 스플라인 형태인 이차 전지.
12. 제 4 항에 있어서, 상기 홈과 이에 대응하는 단자는 그 단면이 십자형태인 이차 전지.
13. 양극판과 음극판이 격리판을 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 양,음극판의 집전체와 전기적으로 연결되고 상기 캡 조립체 외측으로 돌출되는 양,음극단자를 포함하는 적어도 2의 단위전지들;

    상기 이웃하는 단위전지의 양,음극단자에 체결되고, 이 양,음극단자를 감싸면서 자체 고정력에 의해 상기 양,음극단자에 고정되어 상기 단위 전지들을 전기적으로 연결하는 체결구

    를 포함하는 이차 전지.

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