KR100669436B1 - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수개의 단위 전지를 연결하여 대용량의 전지 모듈을 구성함에 있어서, 단위 전지의 연결구조를 단순화하여 연결작업 및 교체작업에 소요되는 시간과 노력을 줄일 수 있도록, 다수개의 단위전지와 단위전지의 단자간에 전기적으로 연결되는 연결구를 포함하는 전지모듈에 있어서, 상기 연결구는 관통홀이 형성되어 상기 단자에 끼워져 설치되는 외측부와, 상기 외측부의 두께보다 작은 두께로 형성되어 상기 외측부 사이를 연결하는 중간부, 상기 중간부의 적어도 일면에 형성되는 채널형태의 홈을 포함하는 이차 전지 모듈을 제공한다.

연결구, 단자, 관통홀, 외측부, 중간부, 홈

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 일부 구성을 도시한 측 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 평 단면도이다.

도 4 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 평 단면도이다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 일부 구성을 도시한 측 단면도이다.

본 발명은 이차 전지 모듈에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 고출력 대용량 전지에 있어서 단위 전지간 연결구조를 개선시킨 이차 전지 모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 저용량의 이차 전지는 폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 이차 전지는 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.

상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있다. 상기 이차 전지의 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있다. 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지를 복수개 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.

이와 같이 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)로 이루어진다.

상기 각각의 단위전지는 양극과 음극이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체로 돌출되고 상기 전극 조립체에 구비된 양,음극판의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.

그리고 각각의 단위전지는 통상 각형 전지의 경우 캡 조립체 상부로 돌출된 양극단자 및 음극단자가 이웃하는 단위전지의 양극단자 및 음극단자와 엇갈리도록 각 단위전지를 교차 배열하고, 나사가공된 음극단자와 양극단자간에 너트를 매개로 도전 부재를 연결설치하여 전지 모듈을 구성하게 된다.

즉, 각 단자는 수나사로 이루어지고, 각 단자에 일차적으로 너트가 체결된 다. 상기 너트 위에 일측 단위전지의 양극단자와 다음 단위전지의 음극단자를 전기적으로 연결하는 도전 부재가 끼워지며, 상기 도전 부재 위에 다시 너트가 체결되어 도전 부재를 고정시게 된다.

그러나 상기한 종래의 구조는 수 개에서 많게는 수십 개의 단위전지를 연결시켜 하나의 전지모듈을 구성함에 있어, 도전 부재를 연결시키기 위해 네 개의 너트를 각 단자에 체결해야 하므로 작업이 힘들고 시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.

또한, 이차 전지 모듈을 구성하는 전체 단위 전지들에 있어 일부 단위 전지에 이상이 발생하는 경우 이를 교체하기 위해서는 단위 전지들 간의 결합상태를 해제시켰다 다시 결합시켜야 하는데, 이 때에 실질적으로는 너트를 상기 단자에서 풀었다 이를 다시 체결해야 하므로 이 역시 그 작업이 불편하여 작업성을 저하시킬 우려가 많다.

또한, 종래에 상기 도전 부재는 통상 판상으로 이루어지고 있기 때문에 실질적으로 이 도전 부재가 상기 단자에 접촉될 때에는 그 접촉 면적을 크게 할 수 없는 바, 이에는 상기 단자와 상기 도전 부재 사이의 전기 전도율이 떨어뜨리는 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 목적 은 다수개의 단위 전지를 연결하여 대용량의 전지 모듈을 구성함에 있어서, 단위 전지의 연결구조를 단순화하여 연결작업 및 교체작업에 소요되는 시간과 노력을 줄일 수 있도록 된 이차 전지 모듈을 제공함에 있다.

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

또한, 본 발명은 각 단위 전지 사이의 간격에 대한 공차에 관계없이 설치가 용이한 이차 전지 모듈을 제공함을 또다른 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 이차 전지 모듈은 다수개의 단위전지와 단위전지의 단자간에 전기적으로 연결되는 연결구를 포함하는 전지모듈에 있어서, 상기 연결구는 관통홀이 형성되어 상기 단자에 끼워져 설치되는 외측부와, 상기 외측부의 두께보다 작은 두께로 형성되어 상기 외측부 사이를 연결하는 중간부, 상기 중간부의 적어도 일면에 형성되는 채널형태의 홈을 포함한다.

상기 연결구는 일측 단위 전지의 양극단자 또는 음극단자와 이웃하는 단위전지의 음극단자 또는 양극단자와 연결되며, 이에 따라 연결구의 외측부에 형성되는 관통홀은 단위전지의 단자간 간격에 맞춰 형성됨이 바람직하다.

또한, 상기 연결구에 형성되는 관통홀은 그 단면형태가 단자의 단면형태와 동일한 구조로 이루어지고, 그 크기는 단자의 크기와 같거나 약간 작도록 하여, 연결구가 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 캡 조립체와 연결구 사이에 절연재질의 부도체가 더욱 삽입될 수 있다.

한편, 상기 단자 또는 상기 연결구의 관통홀 내주면은 전도율을 높일 수 있도록 표면에 은 등의 전기전도성이 우수한 재질의 도막이 더욱 형성됨이 바람직하다.

또한, 상기 단자 및 단자에 대응되는 상기 연결구의 관통홀은 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.

또한, 상기 연결구의 중간부에 형성되는 홈은 하나 또는 두 개 이상이 간격을 두고 형성될 수 있다.

이에 따라 중간부가 보다 용이하게 휘어질 수 있게 되어 조립 공차에 따라 이웃하는 단위 전지의 단자간 간격이 상이해지더라도 상기 연결구의 중간부가 휘어지면서 단자간의 간격에 관통홀 사이의 간격을 맞출 수 있게 되는 것이다.

상기 홈은 원호형태 또는 삼각 또는 사각형태로 이루어질 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.

한편, 본 발명은 상기한 전지 모듈에 있어서, 상기 연결구의 관통홀은 진행방향을 따라 크기가 연속적으로 작아져 경사면을 이루는 구조로 되어 있고, 상기 단자 또한 길이방향을 따라 상기 관통홀의 내주면과 동일한 경사도로 가공된 구조로 되어 있다.

또한, 상기 연결구는 관통홀을 매개로 단자에 끼워진 상태에서 단자와 용접으로 고정될 수 있다.

여기서 상기 이차 전지 모듈은 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 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.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 분해 사시도이다.

상기한 도면을 참조하여 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,음극판 의 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 있다.)

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 연결구(50)가 장착된다.

상기 연결구(50)는 각 단위 전지의 단자(14,15)에 끼워지도록 관통홀이 형성 되어 상기 단자에 끼워져 설치되는 외측부와, 상기 외측부의 두께보다 작은 두께로 형성되어 상기 외측부 사이를 연결하는 중간부, 상기 중간부의 일면에 간격을 두고 형성되는 채널형태의 다수개의 홈을 포함한다.

상기 연결구(50)의 외측부(52)에 형성되는 관통홀(51)은 그 단면형태가 단자(14,15)의 단면형태와 동일한 구조로 이루어지고, 그 크기는 단자의 크기와 같거나 약간 작도록 하여, 연결구(50)가 단자(14,15)에 억지끼움식으로 체결되도록 한다.

이에 따라 연결구(50)는 단자에 체결되는 과정에서 연결구(50)의 관통홀(51)에 단자가 억지로 끼움식으로 강제 삽입되며 연결구(50)의 관통홀 내주면과 단자(14,15)의 외주면이 강력하게 밀착되어 상호간의 마찰력에 의해 고정체결된 상태를 유지하게 되는 것이다.

즉, 연결구(50)의 관통홀(51)로 단자(14,15)가 끼워지면서 관통홀(51) 내측면이 단자의 외측면에 접하면서 이때 양자간의 접면에서 발생되는 마찰력으로 연결구(50)가 단위전지에 설치된 상태가 유지되고, 따라서 연결구(50)를 단자에 끼우는 것으로 간단히 각 단위 전지(11)를 전기적으로 연결하여 전지모듈(10)을 이룰 수 있으며 장착된 연결구(50)를 단자에서 빼내는 것으로 손쉽게 단위 전지를 교환할 수 있게 된다.

상기 단자(14,15)를 연결구(50)의 관통홀(51)로 끼우거나 단자로부터 연결구(50)를 빼내기 위해서는 헤머 등의 별도 치구 또는 장치가 이용될 수 있다.

도 1은 연결구(50)가 단위전지에 설치된 상태를 잘 예시하고 있는 데, 상기한 도면에 의하면, 일측 단위전지(11)의 양극단자(14)와 다음에 놓여져 있는 단위 전지(11)의 음극단자(15)에 연결구(50)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 연결구(50)를 매개로 연결되어 전체 단위전지(11)가 직렬로 연결되는 것이다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이 더욱 바람직하게는 상기 캡 조립체(13)와 연결구(50) 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 연결구(50)와 캡 조립체 사이에 삽입됨으로써 연결구(50)와 캡 조립체 사이의 틈새에서 혹시라도 발생될지 모를 통전을 확실히 방지할 수 있게 되는 것이다.

여기서 본 이차 전지는 상기한 구조로 되어 연결구(50)의 관통홀(51) 내측면 전체가 단자와 접하여 그 접촉면적이 종래와 비교하여 현저하게 늘어나게 되며, 이에 따라 연결구(50)와 단자(14,15)간의 전도율을 극대화시킬 수 있게 된다.

또한, 전도율을 높이기 위해 본 이차 전지는 상기 단자의 표면 또는/ 및 상기 연결구(50)의 관통홀(51) 내측면에 은 등의 전기전도성이 우수한 재질의 도막(30)을 더욱 형성한다.

한편, 상기 연결구(50)는 관통홀(51)이 형성되어 단자(14,15)가 끼워지는 외측부(52)의 두께(D)보다 외측부(52) 사이에 연결되는 중간부(53)의 두께(d)가 얇은 구조로 되어 있다.

이에 따라 조립공차에 따라 이웃하는 단위 전지(11)의 단자(14,15)간 간격이 상이해지더라도 두께가 얇은 상기 연결구(50)의 중간부(53)가 용이하게 휘어지면서 단자(14,15) 사이의 간격과 연결구(50)의 관통홀(51) 사이의 간격을 맞춰 단자(14,15)간에 연결구(50)를 쉽게 끼울 수 있게 된다.

또한, 상기 연결구(50)는 중간부(53)가 보다 잘 휘어질 수 있도록 상기 연결구의 중간부(53)에 다수개의 홈(54)이 더욱 형성된다.

상기 중간부(53)에 형성되는 홈(54)은 원호 단면형태로 이루어지나, 이에 한정되지 않으며 원호형태나 삼각 또는 사각형태 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다.

도 3과 도 4는 상기 중간부(53)에 원호형태의 홈(54)이 다수개 또는 하나 형성된 구조의 연결구(50)를 예시하고 있으며, 도 5는 본 이차 전지 모듈의 또다른 실시예로서 상기 중간부(53)에 삼각형태의 홈(54)이 형성된 구조를 잘 예시하고 있다.

한편 상기 연결구(50)는 관통홀(51)을 통해 노출되는 단자(14,15)와 상기 연결구(50)를 용접함으로써 결합력을 높이게 된다.

그리고 본 실시예에서 상기 단자(14,15) 및 연결구(50)의 관통홀(51)은 위에서 언급한 바와 같이 원형단면구조로 이루어지나 이에 한정되지 않으며, 예컨대 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 사각형 단면구조나 스플라인형태의 단면구조 또는 십자형 단면구조로 이루어질 수 있다.

한편, 본 이차 전지의 또다른 실시예에 따르면 연결구(50)의 용이한 설치와 분리를 위해 단위 전지(11)에 설치되는 단자(14,15)와 이 단자가 끼워지는 연결구(50)의 관통홀(51)은 길이 방향으로 동일한 각도의 경사면이 형성될 수 있다.

이하 설명에서는 단자(14,15)와 관통홀(51)의 단면구조가 원형인 경우를 예로써 설명한다. 그러나 이에 한정되지 않으며 위에서 언급된 다양한 단면구조의 단자와 홈 또한 모두 적용가능하다 할 것이다.

즉, 도 9에 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 연결구(50)의 관통홀(51) 또한 내측을 향해 상기 경사각(α)과 동일한 각도로 연속적으로 작아져 동일한 기울기의 경사면이 형성된 구조로 되어 있다.

따라서 최초 연결구(50)의 관통홀(51)로 단자(14,15)가 끼워질 때는 직경이 작은 쪽이 직경이 큰 관통홀(51)로 삽입됨에 따라 단자를 용이하게 관통홀(51)로 끼워넣을 수 있게 되고, 최종적으로 단자(14,15)의 외주면이 연결구(50)의 관통홀(51) 내측면과 밀착되면서 그 마찰력에 의해 연결구(50)가 단자에 고정되는 것이다.

여기서 상기 단자와 관통홀(51)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 단자(14,15)와 연결구(50) 사이의 전도율을 높이기 위해 단자의 표면 또는/및 상기 관통홀(51) 내측면에 코팅되는 은 등의 도막이며, 도면 부호 (40)은 연결구(50)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, 연결구를 전지에 용이하게 체결할 수 있고 수리시 간단히 분리하여 원하는 단위 전지를 교체할 수 있게 된다.

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

또한, 하나의 부품을 통해 단위전지간 연결이 이루어짐에 따라 설치가 용이하고 작업량을 줄일 수 있으며, 부품 감소를 통한 원가 상승의 효과를 얻게 된다.

Claims (16)

1. 다수개의 단위전지와 단위전지의 단자간에 전기적으로 연결되는 연결구를 포함하는 전지모듈에 있어서,

   상기 연결구는 관통홀이 형성되어 상기 단자에 끼워져 설치되는 외측부와,

   상기 외측부의 두께보다 작은 두께로 형성되어 상기 외측부 사이를 연결하는 중간부,

   상기 중간부의 적어도 일면에 형성되는 채널형태의 홈

   을 포함하는 이차 전지 모듈.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 관통홀과 상기 단자 사이에 용접이 이루어지는 이차 전지 모듈.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 연결구는 상기 외측부의 두께보다 외측부 사이를 연결하는 중간부의 두께가 얇은 구조의 이차 전지 모듈.
4. 제1 항에 있어서, 상기 홈은 하나 또는 두 개 이상이 간격을 두고 형성되는 이차 전지 모듈.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 홈은 원호형태 또는 삼각형태 또는 사각형태 중 어느 한 형태로 이루어지는 이차 전지 모듈.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 관통홀은 외측 선단을 향해 단면크기가 연속적으로 작아져 경사면을 이루고, 상기 단자는 길이방향을 따라 상기 채널에 대응되는 경사면이 형성된 이차 전지 모듈.
7. 제1 항에 있어서,

   상기 연결구의 외측부에 형성되는 관통홀은 이웃하는 단위전지의 단자간 간격에 맞춰 형성된 이차 전지 모듈.
8. 제1 항에 있어서,

   상기 연결구에 형성되는 관통홀은 그 단면형태가 단자의 단면형태와 동일한 구조의 이차 전지 모듈.
9. 제1 항에 있어서,

   상기 관통홀은 단자에 억지끼움식으로 체결되는 이차 전지 모듈.
10. 제1 항에 있어서,

    상기 연결구와 상기 캡 조립체 사이에 절연재질의 부도체가 삽입되는 이차 전지 모듈.
11. 제1 항에 있어서,

    상기 단자 또는 상기 연결구의 관통홀 내주면은 표면에 은 재질의 도막이 형성된 이차 전지 모듈.
12. 제1 항에 있어서,

    상기 관통홀과 이에 대응하는 단자는 그 단면이 원형태인 이차 전지 모듈.
13. 제1 항에 있어서,

    상기 관통홀과 이에 대응하는 단자는 그 단면이 사각형태인 이차 전지 모듈.
14. 제1 항에 있어서,

    상기 홈과 이에 대응하는 단자는 그 단면이 스플라인 형태인 이차 전지 모듈.
15. 제1 항에 있어서,

    상기 홈과 이에 대응하는 단자는 그 단면이 십자형태인 이차 전지 모듈.
16. 제1 항에 있어서,

    상기 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈.

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