KR100751623B1 - 배터리 - Google Patents

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Abstract

유닛 셀은 플레이트 프레임에 유지되어 셀 모듈을 형성한다. 복수의 셀 모듈이 프레임의 두께방향으로 적층되어 유닛 셀의 적층구조를 형성한다. 셀 유닛은 적층 방향으로 양측으로부터 열 싱크로 가압되고 일체적으로 유지되어 배터리를 형성한다.

Description

배터리{BATTERY}
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리의 외형의 사시도이다.
도2는 도1의 선 Ⅱ-Ⅱ을 따라 절단된 도1에 도시된 배터리의 개략적인 부분 단면도로서, 주요 구성요소의 적층상태를 나타내는 도이다.
도3은 도2에 도시된 부분의 부분확대 단면도이다.
도4는 도1에 도시된 배터리의 버스 바(bus bar)와 관통볼트간의 접속관계를 나타내는 도이다.
도5는 도1에 도시된 배터리를 구성하는 유닛 셀간의 접속상태를 나타내는 개략도이다.
도6은 유닛 셀의 외형의 사시도이다.
도7a와 도7b는 본 발명에 따른 배터리의 프레임의 형상을 나타내는 도이다.
도8은 전압검출단자가 접합된 부분의 프레임의 확대도이다.
도9는 전압검출단자가 유닛 셀 내에 배치된 상태를 나타내는 도이다.
도10은 저부에 배치된 열 싱크의 형상의 사시도이다.
도11은 가압유닛이 저부에 배치된 열 싱크에 접합된 상태를 나타내는 도이다.
도12a와 도12b는 가압유닛의 상세한 형상을 나타내는 도이다.
도13a와 도13b는 가압유닛의 작동을 설명하는 도이다.
도14는 중간 열 싱크의 형상의 사시도이다.
도15는 상부에 배치된 열 싱크의 형상의 사시도이다.
도16은 본 발명에 따른 배터리의 제조과정을 설명하는 도이다.
도17은 본 발명에 따른 배터리의 제조과정을 설명하는 도이다.
도18은 본 발명에 따른 배터리의 제조과정을 설명하는 도이다.
도19는 본 발명에 따른 배터리의 제조과정을 설명하는 도이다.
도20은 본 발명에 따른 배터리의 제조과정을 설명하는 도이다.
도21은 본 발명에 따른 배터리의 제조과정을 설명하는 도이다.
도22는 본 발명의 제2 실시예에 따른 프레임에 장착되는 전기 유닛 셀과 함께 프레임을 나타내는 사시도이다.
도23은 프레임상에 장착되는 전기 유닛 셀과 함께 프레임을 나타내는 평면도이다.
도24는 유닛 셀의 전극 탭과 버스 바간의 접속상태를 나타내는 설명도이다.
도25는 프레임상에 형성된 공구 삽입 개구를 나타내는 도이다.
도26은 도24에 도시된 프레임이 적층되어 배터리를 구성할 때 유닛 셀간의 접속상태를 나타내는 개략도이다.
도27은 제3 실시예에 이용되는 프레임의 형상을 나타내는 도이다.
도28은 도27에 도시된 프레임을 적층함으로써 구성되는 유닛 셀의 적층구조를 나타내는 사시도이다.
도29는 도28에 도시된 것과 같은 유닛 셀의 적층구조를 포함하는 배터리를 나타내는 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 배터리 200 : 전지 유닛
210, 220, 230 : 프레임 212, 232 : 절연 와셔
214, 224, 234, 244, 274 : 유닛 셀
215A, 215B, 225A, 225B, 235A, 235B, 245A, 245B, 275A, 275B : 전극 탭
300, 350 : 열 싱크
본 발명은 가볍고 소형이며 고에너지 밀도로 큰 에너지를 공급하는 동력원으로서 최적의 형상을 갖는 배터리에 관한 것이다.
근래 증가된 환경의식에 기초하여 화석연료를 사용하는 엔진으로부터 전기 에너지를 이용하는 모터로 자동차의 동력원을 바꾸는 경향이 있다. 이러한 이유 때문에 모터의 동력원으로서의 배터리 기술은 급속히 발전되고 있다.
자동차는 바람직하게는 충격과 아주 강하고 열방산이 탁월하면서 빈번하게 충방전될 수 있고 큰 동력을 낼 수 있는 간소하고 무게가 가벼운 배터리가 구비된다. 큰 동력을 공급할 수 있는 열방산이 탁월한 배터리가 예를 들어 일본 특허 공개 2000-195840에 개시된다.
이 문헌(특히 0014에서 0029와 도1, 도2, 도4)에 개시된 배터리는 다음과 같은 형상을 갖는다. 직렬, 병렬, 또는 직병렬로 전기적으로 접속된 복수의 플랫 유닛 셀(flat unit cell)이 셀간에 소정의 거리를 갖으며 유닛 셀의 두께방향으로 배치된다. 가압부재가 유닛 셀 사이에 배치되어 양측에 있는 셀을 가압하고 외부부재가 유닛 셀을 고정한다. 이러한 형상에 기초하여 유닛 셀은 만족스럽게 열을 방산할 수 있어 배터리의 회전수명과 방전특성을 개선시킨다.
상기 문헌의 배터리는 유닛 셀로서 플랫 유닛 셀을 이용하기 때문에 배터리는 플랫 유닛 셀이 아닌 다른 셀을 이용하는 종전의 배터리에 비해 높은 에너지 밀도를 가진다. 동일한 동력 용량에 비해 컴팩트한 유닛 셀이 제조될 수 있다. 따라서 플랫 유닛 셀을 이용하는 배터리는 간소화와 고에너지 밀도의 관점에서 자동차에 장착되는 셀에 적합하다.
그러나, 배터리는 저장 시스템용으로 개발되기 때문에, 높은 생산효율, 간소화 및 경량, 충격 저항 및 높은 신뢰도를 만족시켜야 하는 자동차에 적용 가능하게 그 형상면에서 큰 개선이 요구된다.
상세하게 말하면 생산효율을 개선시킬 수 있는 배터리의 형상이 고려되어야 하고 배터리는 많은 종류의 개선을 요한다. 예를 들어 간소화와 경량화를 얻기 위해 최소 개수의 부품을 이용하는 유닛 셀이 배터리에 배치되어 최대 용량효율을 얻어야 한다. 셀의 빈번한 충전 및 방전은 유닛 셀 내에서 발생된 가스로 인한 용량감소 및 수명감소를 일으키지 않아야 한다. 배터리는 항상 진동에 노출됨에도 불 구하고 안정된 작동을 보장할 수 있도록 충격저항을 가질 것이 요구된다. 극고밀도로 배치될 때에 유닛 셀은 효율적인 열방산을 달성할 것이 요구된다.
본 발명에 따르면 가볍고 소형이며 고에너지 밀도로 에너지를 공급하는 동력원으로서 최적의 형상을 갖는 배터리가 제공될 수 있다.
본 발명의 기술적인 면에 따르면, 배터리는 서로 전기적으로 접속된 하나 또는 복수의 플랫 유닛 셀을 각각 포함하는 셀 모듈의 적층구조를 갖는다.
본 발명의 다른 기술적인 면에 따르면, 배터리 제조방법은 복수의 플랫 유닛 셀을 포함하는 셀 모듈을 형성하는 단계와 플랫 셀이 서로 전기적으로 접속되는 셀 모듈의 적층구조를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 배터리가 아래에서 상세하게 설명될 것이다. 제1 실시예에 있어서의 배터리의 형상 및 제조과정이 설명될 것이다.
제1 실시예
본 실시예에 따른 배터리는 다음과 같은 형상을 가진다. 4개의 플랫 유닛 셀(이후에는 유닛 셀로 언급한다)이 폭방향으로 프레임상에 배치된다. 24개의 프레임이 적층되어 배터리의 유닛 구조를 구성한다. 배터리 유닛은 유닛의 양 측면으로부터 적층방향으로 열 싱크로 가압되고 전체적으로 가압상태로 유지된다. 따라서 배터리 유닛은 총 96개의 유닛 셀을 갖는다. 모든 유닛 셀은 프레임과 열 싱 크상에 제공되는 전기접속유닛으로 직렬로 접속된다. 명확하게 말하면 유닛 셀의 4개의 적층이 전기접속유닛에 의해 직렬로 접속되고, 각 적층은 적층 방향으로 직렬로 접속된 24개의 유닛 셀을 갖는다.
배터리의 형상
배터리의 형상 및 제조과정이 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 도1은 본 발명에 따른 배터리의 외형을 나타내는 사시도이다. 도2는 도1의 선 Ⅱ-Ⅱ을 따라 절단된 도1에 도시된 배터리의 개략적인 부분 단면도로서, 주요 구성요소의 적층상태를 나타내는 도이다. 도3은 도2에 도시된 부분의 부분확대 단면도이다. 도4는 도1에 도시된 배터리의 버스 바와 관통볼트간의 접속관계를 나타내는 도이다. 도5는 도1에 도시된 배터리를 구성하는 유닛 셀간의 접속상태를 나타내는 개략도이다.
도1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 배터리(100)는 다음과 같은 형상을 가진다. 홀더(holder)로서의 열 싱크(300 및 350)는 양 측면으로부터 적층방향으로 유닛 셀(200)을 가압하고, 이에 의하여 유닛 셀(유닛 셀의 적층구조)(200)을 전체적으로 압력상태로 유지한다. 유닛 셀(200)은 프레임의 두께 방향(다시 말하면 Z방향)으로 적층된 복수의 플레이트 프레임을 포함한다.
도시되지는 않았지만 프레임은 4개의 홀더(219)를 가지며 홀더 각각은 플랫 유닛 셀을 평행하게(X-Y방향) 동일한 평면상으로 유지시킨다. 배터리(100) 내에는 24개의 프레임이 가상의 평면 X-Y을 가로지르는 방향(즉 Z방향)으로 적층된다. 중 간 열 싱크(325)가 6개의 프레임마다 프레임 사이에 적층 방향으로 삽입된다. 따라서 배터리(100)는 24개의 프레임 적층을 가지고, 각 프레임은 평행하게 배치된 4개의 셀을 가지며, 전부 96개의 유닛 셀을 가진다.
열 싱크(300 및 350)는 두 열 싱크를 결합시키는 6개의 가압유닛에 의해 고정된다. 가압유닛은 너트(310A 내지 310F)에 의해 끼워 맞춰진다. 각 가압유닛은 인장(tension) 코일 스프링의 양단에서 너트(310A 내지 310F)에 의해 끼워 맞춰진 샤프트를 갖는다. 열 싱크(300 및 350) 사이에 가압유닛을 끼워 넣음으로써 적당한 표면 압력이 적층방향으로 유닛 셀(200)의 적층구조를 구성하는 모든 유닛 셀에 가해진다.
배터리(100)는 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 적층구조를 가진다. 이들 도면은 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 단순화되었다. 이들 도면에서는 열 싱크(350)와 중간 열 싱크(325) 사이에 4개의 프레임만이 제공되었지만, 실제로는 6개의 프레임이 제공된다.
절연체로서의 절연 와셔(washer, 212)가 셀 모듈(180)을 구성하는 프레임(210, 즉 절연와셔가 내설된 프레임)의 일단 내로 내설된다. 유닛 셀(214)의 외주(peripheral, 216)를 지지하는 외주 지지체(218)가 프레임(210) 주위에 형성된다. 프레임(210)의 외주 지지체(218)에 의해 둘러싸인 프레임(210)의 중심부는 개방된다. 적층방향으로 연접한 요소(즉 열 싱크 350과 유닛 셀 224)는 유닛 셀(214)의 외부 표면과 직접 접촉한다. 프레임(210)의 다른 말단에는 개구(217A)가 형성되어 적층방향으로 서로 연접하도록 위치된 유닛 셀(214)의 전극 탭(215B)과 유닛 셀 (224)의 전극 탭(225B) 사이에 초음파 용접을 제공한다. 유닛 셀(214)의 전극 탭(215A)은 절연 와셔(212)와 후술할 버스 바(260)와 접촉한다. 절연 와셔(212)는 프레임(210)보다는 두껍고 유닛 셀(214)보다는 얇다. 다시 말하면 절연 와셔(212)는 프레임(210)의 두께와 유닛 셀(214)의 두께 사이의 두께를 가진다. 배터리(100)를 구성하는 모든 절연 와셔가 내설된 프레임은 각각 동일한 두께를 가지는 절연 와셔를 사용한다.
전도체로서의 전도성 와셔(222)는 프레임(220, 즉 전도성 와셔가 내설된 프레임)의 일단 내에 내설된다. 프레임(210)의 외주 지지체와 유사한 외주 지지체(228)가 프레임(220) 주위에 형성된다. 외주 지지체(228)에 의해 둘러싸인 프레임(220)의 중심부는 개방된다. 프레임(210)의 개구와 유사한 개구(217B)가 프레임(220)의 다른 말단에 형성된다. 유닛 셀(224)의 하나의 전극 탭(225A)은 전도성 와셔(222)와 접촉하고 전도성 와셔(222)를 경유하여 유닛 셀(234)의 전극 탭(235B)에 접속된다. 전도성 와셔(222)는 프레임(220)보다는 두껍고 유닛 셀(224)보다는 얇다. 다시 말하면 전도성 와셔(222)는 프레임(220)의 두께와 유닛 셀(224)의 두께 사이의 두께를 가진다. 이러한 두께 관계에 기초하여 전극 탭(225A)은 유닛 셀(224)에 요구되는 표면압력을 가하면서 전도서 와셔(222)와 접촉될 수 있다. 배터리(100)를 구성하는 모든 전도성 와셔가 내설된 프레임은 각각 동일한 두께를 갖는 전도성 와셔를 사용한다.
프레임(210)에 의해 위치되고 지지되는 유닛 셀(214)의 전극 탭(215B)과 프레임(220)에 의해 위치되고 지지되는 유닛 셀(224)의 전극 탭(225B)은 각각의 프레 임 상에서 개구(217A 및 217B)의 양측으로부터 가압되고 도시되지 않은 도구에 의해 초음파 용접이 제공된다.
절연 와셔(232)가 프레임(230, 즉 절연와셔가 내설된 프레임)의 일단 내에 내설된다. 프레임(210)의 외주 지지체와 유사한 외주 지지체(238)가 프레임(230)의 주위에 형성된다. 외주 지지체(238)에 의해 둘러싸인 프레임(230)의 중심부는 개방된다. 프레임(210)의 개구와 유사한 개구(217C)가 프레임(230)의 다른 말단에 형성된다. 유닛 셀(234)의 하나의 전극 탭(235A)은 절연 와셔(232)와 전도성 와셔(222)와 접촉된다. 프레임(220)과 프레임(230)이 적층될 때, 개구(217C)의 존재 때문에 아래측에서 용접된 전극 탭(215B와 225B)과 접촉하게 된다. 따라서 이러한 접촉을 피하기 위해 절연테이프(250A)이 전극 탭(225B)의 상부측에 부착된다.
전도성 와셔(266)가 프레임(265, 즉 전도성 와셔가 내설된 프레임)의 일단 내로 내설되고, 장착부(273)가 중간 열 싱크(325)에 형성되어 프레임(265) 상에 적층된다. 프레임(210)의 외주 지지체와 유사한 외주 지지체(278)가 프레임(265)의 주위에 형성된다. 외주 지지체(278)에 의해 둘러싸인 프레임(265)의 중심부는 개방된다. 프레임(210)의 개구와 유사한 개구(277D)가 프레임(265)의 다른 말단에 형성된다. 유닛 셀(274)의 하나의 전극 탭(275A)은 전도성 와셔(266)와 접촉한다. 전도성 와셔(266)는 절연 와셔 또는 전도성 와셔의 두께와 중간 열 싱크(325)의 구께의 합과 동일한 두께를 가진다. 절연 와셔의 두께는 전도성 와셔의 두께와 동일하다.
도2와 도3에는 열 싱크(350)와 중간 열 싱크(325) 사이에 오직 4개의 프레임 만이 삽입되지만, 실제로는 열 싱크(350)와 중간 열 싱크(325) 사이에 바닥층으로부터 절연 와셔가 내설된 프레임, 전도성 와셔가 내설된 프레임, 절연 와셔가 내설된 프레임, 전도성 와셔가 내설된 프레임, 절연 와셔가 내설된 프레임 및 전도성 와셔가 내설된 프레임 순서대로 6개의 프레임이 적층된다.
중간 열 싱크(325)는 프레임(265)의 장착부(273)상에 장착된다. 프레임(265)은 전도성 와셔(266)로부터 중간 열 싱크(325)를 절연시킨다.
6개의 프레임, 중간 열 싱크, 6개의 프레임, 중간 열 싱크, 6개의 프레임 및 열 싱크(300)가 이러한 순서로 중간 열 싱크(325)상에 더욱 적층된다. 열 싱크(300)의 바로 아래의 프레임(240)은 프레임(220)의 형상과 유사한 형상을 가진다. 다시 말하면, 전도성 와셔(242)가 프레임(240)의 일단 내에 내설된다. 프레임(210)의 외주 지지체와 유사한 외주 지지체(248)가 프레임(240) 주위에 형성된다. 외주 지지체(248)에 의해 둘러싸인 프레임(240)의 중심부는 개방된다. 프레임(210)의 개구와 유사한 개구(217E)가 프레임(240)의 다른 말단에 형성된다. 유닛 셀(244)의 하나의 전극 탭(245A)은 전도성 와셔(242)와 접촉한다. 비록 도면에는 도시되지 않았지만, 유닛 셀(244)의 전극 탭(245B)은 그 밑에 위치된 유닛 셀의 전극 탭과 초음파 용접된다. 절연테이프(250B)가 전극 탭(245B)의 상부측에 부착되어 열 싱크(300)로부터 전극 탭(245B)을 절연시킨다.
적층된 모든 프레임은 볼트(270)와 볼트에 끼워 맞춰진 너트(271)에 의해 고정된다. 절연 와셔(278과 279)는 너트(271)와 전도성 와셔(242) 사이에서 겹친다. 절연 와셔(278)는 버스 바(262)를 절연하기 위해 이용된다. 와셔(279)는 절연와셔 (278)가 세라믹으로 만들어지기 때문에 절연와셔(278)의 파손을 방지하기 위해 사용된다.
버스 바(260)는 열 싱크(350)상에 제공되어 적층된 유닛 셀을 배열방향으로 유닛 셀에 연접한 유닛셀에 전기적으로 접속시킨다. 절연 와셔(261)는 열 싱크(350)로부터 버스 바(260)를 절연시킨다. 주위가 절연된 관통볼트(270)는 기계적으로 버스 바(260)에 접속된다. 배터리(100)에 존재하는 버스 바(260, 262, 264)는 도4에 도시된 바와 같이 관통볼트(270, 275, 280, 285)에 의해 연결된다. 관통볼트(270, 275, 280, 285)는 열 싱크(350)의 바닥 표면상에 세워진다. 관통볼트(270, 275, 280, 285)는 버스 바(260, 262, 264)를 이용함으로써 적층된 유닛 셀을 직렬로 접속시킨다.
도2와 도3이 선 A-A를 따라 절단된 도4의 형상의 단면도를 나타내는 것일 때 참조번호 262는 동력 터미널(450A)에 접속된 부재(263)를 의미한다. 도2와 도3이 선 B-B를 따라 절단된 도4의 형상의 단면도일 때 참조번호 262는 버스 바를 의미한다.
열 싱크(300과 350)가 겹쳐진 셀 유닛(200) 상태로 볼트와 너트(310A 내지 310F)에 의해 고정될 때 그리고 4개의 관통볼트가 4개의 접속 터미널에 의해 조여질 때, 배터리(100)를 구성하는 유닛 셀은 도5에 도시된 바와 같이 적층방향(즉 Z방향)으로 직렬로 접속된다.
배터리(100)는 유닛 셀 적층구조의 4개의 열을 가지고, 각 열은 24개의 유닛 셀의 접속으로 인해 적층된 구조를 가진다. 다시 말하면, 도5에 도시된 바와 같이 적층구조(400, 410, 420, 430) 각각에 있어서 모든 유닛 셀은 적층방향으로 직렬로 전기적으로 접속된다. 더 상세하게 말하면, 적층구조(400)의 일측상의 유닛 셀은 (도5에서 적층구조(400)의 좌측상에 × 표시로 묘사된 바와 같이) 초음파 용접에 의해 서로 전기적으로 접속된다. 이들 유닛 셀의 접속부는 (예를 들면 도2에서 250A 250B로 도시된 바와 같은) 절연테이프에 의해 (도5의 정사각형 부분에서) 서로 절연된다. 반면, 적층구조(400)의 다른 측상의 유닛 셀은 (도5에서 ○ 표시로 묘사된 바와 같이) (예를 들면 도2에서 222와 266으로 도시된 바와 같은) 전도성 와셔에 의해 전기적으로 접속된다. 유닛 셀의 접속부는 (도5에서 삼각형으로 묘사된 바와 같이 절연 와셔에 의해 서로 절연된다. 따라서 배터리(100)가 조립될 때 적층구조(400)를 구성하는 모든 유닛 셀은 직렬로 접속된다. 유닛 셀의 다른 적층구조(410, 420, 430) 또한 모두 동일한 방식으로 직렬로 접속된 유닛 셀을 가진다.
적층구조(400, 410, 420, 430)는 열 싱크(도2에서 300과 350)에 고정된 버스 바(260, 262, 264)에 의해 직렬로 더욱 접속된다(도4를 참조). 배터리(100)를 구성하는 유닛 셀의 모든 적층구조는 상술한 바와 같이 직렬로 접속된다. 이러한 접속방법이 채용될 때 동력 터미널(450A와 450B)의 접속부분은 오직 한 방향(즉 열 싱크(300)의 상부측)으로만 배치될 수 있다. 따라서 배터리 장착후 전력 배선이 용이하게 수행될 수 있고, 이는 생산성을 향상시킨다.
유닛 셀
배터리의 주요 구성요소가 상세하게 설명될 것이다. 본 실시예에서 이용된 유닛 셀(214)은 도6에 도시된 바와 같이 직사각형의 편평한 적층된 2차 셀이고, 최소한 순서대로 내부에 적층된 양전극 및 음전극을 갖는 적층된 전력발생요소를 갖는다. 유닛 셀(214)은 일본 특허출원공개 2003-059486에 개시된 것과 같은 형상을 갖는다. 적층필름이 유닛 셀(214)의 외부재료로서 이용된다. 일체화된 전력 발전 요소는 유닛 셀(214)의 외주 적층필름의 열융해에 의해 기밀된다. 전극 탭(215A와 215B)이 길이방향으로 유닛 셀(214)의 양 측으로부터 도출된다. 전극 탭(215A)은 양극 탭이고 약 0.2mm의 두께를 가지는 얇은 알루미늄 플레이트로 만들어진다. 반면 전극 탭(215B)은 음극 탭이고 약 0.2.mm 두께의 얇은 구리 플레이트로 만들어진다. 관통볼트(도2에서 270)를 삽입하기 위한 삽입 구멍(272A와 272B)이 두 전극 탭(215A와 215B)에서 개방된다. 열융합에 의해 접속된 유닛 셀(214)의 외주(216)는 프레임에 형성된 홀더(229)에 의해 위치되고 유지된다. 유닛 셀의 적층방향은 이 동력발전 구성요소를 구성하는 양극 플레이트와 음극 플레이트의 적층방향과 동일하다.
본 실시예에 따르면, 배터리(100)는 도6에 도시된 바와 같이 각 셀의 반대측상에 다른 극성의 전극 탭을 가지는 유닛 셀을 포함한다. 하지만 배터리(100)는 일본 특허출원 공개 2003-059486에 개시된 것과 같이 각 셀의 오직 한쪽 측면상에만 다른 극성의 전극 탭을 가지는 유닛 셀에 의해 구성될 수도 있다. 하나의 플랫 유닛 셀이 본 발명에 따른 유닛 셀로서 이용되지만 프레임은 직렬로 접속되고 병렬로 접속되고 또는 교대로 직렬과 병렬로 접속되는 복수의 유닛 셀을 가질 수 있다.
프레임
본 실시예에서는 도7A에 도시된 바와 같은 절연 와셔가 내설된 프레임(210)과 도7B에서 도시된 바와 같은 전도성 와셔가 내설된 프레임(220)이 이용된다.
절연 와셔(212)는 절연 와셔가 내설된 프레임(210)의 일단(210A)상에 내설된다. 절연 와셔(212)는 프레임(210)보다 약간 두껍고 유닛 셀보다는 두껍다.
전도성 와셔(222)는 전도성 와셔가 내설된 프레임(220)의 일단(220A) 내에 내설된다. 전도성 와셔(222)는 도2와 도3에서 참조번호 265로 묘사된 것과 같은 열 싱크(325) 바로 아래의 프레임의 전도성 와셔(266)를 제외하고는 프레임(220)보다 약간 두껍고 절연 와셔와 같은 유닛 셀보다 얇다. 전도성 와셔는 프레임에 고정된 유닛 셀의 한 전극 탭을 적층방향으로 연접한 다른 프레임에 고정된 유닛 셀의 다른 하나의 전극 탭에 전기적으로 접속시키는 첫 번째의 접속기로서의 기능을 가진다.
도7A와 도7B에 도시된 바와 같이 각 프레임(210과 220)은 동일 평면상에 배치된 4개의 유닛 셀을 위치시키고 유지시키는 홀더(229)를 가진다. 다시 말하면 프레임(210과 220)은 유닛 셀(214)의 외주(216)의 일부분을 지지하는 외주 지지체(218과 228)와 유닛 셀(214)을 위치시키는 포지셔너(positioner)를 가진다. 포지셔너는 유닛 셀(214)의 외주단을 각각 위치시키는 외주 지지체(218과 228)의 주위에 형성된 부분을 말한다. 후술할 로케이트 핀(locate pin)이 그 내에 삽입되는 도시되지 않은 로케이트 핀 삽입구멍이 프레임(210과 220)의 두 중심에 각각 형성된다.
프레임의 포지셔너는 유닛 셀을 위치시키고 외주 지지체는 셀의 외주를 지지한다. 유닛 셀의 외주와 프레임의 외주 지지체는 양면테이프으로 임시적으로 고정된다. 따라서 유닛 셀은 제조과정에서 프레임상에 장착된 상태로 용이하게 운반될 수 있다.
도8에서 도시된 바와 같은 전압검출 터미널(500)은 전도성 와셔 또는 절연 와셔가 끼워진 각 프레임의 측단에 끼워진다. 전압검출 터미널(500)은 각 유닛 셀의 전압을 검출하기 위해 제공되고 용접에 의해 각 유닛 셀의 전극 탭에 접속된다. 도1에 도시된 바와 같이 프레임이 적층될 때 전압검출 터미널(500)은 도9에 도시된 바와 같이 프레임 적층방향으로 규칙적인 간격으로 열을 지어 배치된다. 도시되지 않은 접속기가 모든 전압검출 터미널(500)에 끼워져 각 유닛 셀의 전압을 충전/방전 제어기에 가한다. 전압검출 터미널(500)은 프레임과 집적되므로 전압검출 터미널(500)에 대한 효율적인 배선이 작업성을 개선시킨다.
열 싱크
본 실시예에 따르면 도1에 도시된 바와 같이 3가지 종류의 열 싱크, 즉 상부에 위치된 열 싱크(300), 적층된 프레임 사이에 위치된 최소한 하나 이상의 중간 열 싱크(325), 저부에 위치된 열 싱크(350)가 이용된다.
도10에 도시된 바와 같이 저부의 열 싱크(350)는 적층된 프레임을 위치시키는 로케이트 핀(510과 520)을 가진다. 프레임은 그 내부로 로케이트 핀(510과 520)이 삽입되는 (도시되지 않은) 로케이트 삽입구멍을 가진다. 열 싱크(350)상에 프레임을 적층함에 있어서, 로케이트 핀(510과 520)이 프레임의 로케이트 핀 삽입구멍내로 삽입되고 이에 의하여 프레임을 위치시킨다. 열 싱크(350)의 일단에 버스 바가 내설된 홈(360과 370)이 버스 바(260과 264)를 내설하여 연접한 유닛 셀 적층, 예를 들어 유닛 셀 적층(400과 410, 도5 참조)을 직렬로 전기적으로 접속시키도록 제공된다. 관통볼트 삽입구멍(362, 364, 372, 374)이 버스 바가 내설된 홈(360과 370)상에 형성되어 열 싱크(350)의 바닥상에 관통볼트(270, 275, 280, 285)를 세운다(도4를 참조). 유닛을 가압하기 위한 조립구멍(380 내지 385)이 열 싱크(350)상에 형성된다. 이들 조립구멍은 열싱크(300과 350) 사이에 배터리(200)를 일체로 유지하고 셀 유닛(200)에 적절한 표면압력을 가하는 홀더의 기능을 가진다.
도11에 도시된 바와 같이 6개의 가압유닛(530 내지 535)이 이들 조립구멍(380 내지 385)에 끼워진다. 가압유닛(530 내지 535)은 배터리(200)를 열싱크(300과 350) 사이에 끼우는 것과 동시에 셀 유닛(200)에 가해지는 표면압력을 용이하게 정밀 조절할 수 있다. 구리, 알루미늄, 마그네슘이 열 싱크(300과 350)의 재료로서 적절하다. 바람직하게는 열방산과 경량의 관점에서 알루미늄이 이용된다. 벤트(vent, 352)가 열 싱크(350)상에 형성되어 가로방향으로 열 싱크(350)를 통과하여 열방산 효율을 개선시킨다.
가압유닛(530 내지 535)은 다음과 같은 형상을 가진다. 도12A와 도12B는 가압유닛의 상세한 형상을 나타내는 도이고, 도13A와 13B는 가압유닛의 작동을 설명하기 위한 도이다. 상세하게 말하면, 도12A는 전체 가압유닛의 형상을 나타내는 도이고 도12B는 스프링 홀더의 형상을 나타내는 도이다. 도13A는 가압유닛의 최초 상태를 나타내는 도이고, 도13B는 열싱크 사이에 끼워진 가압유닛을 나타내는 도이다.
가압유닛(530)은 인장코일스프링(542, 즉 탄성유닛)과 인장코일스프링의 양단을 고정하는 스프링 홀더(543)를 포함한다.
인장코일스프링(542)은 늘어난 상태로 열 싱크(300과 350) 사이에 끼워진다(도1 참조). 이러한 배치에 의해 인장코일스프링(542)은 수축하고 열 싱크(300과 350)가 서로 가까워지도록 하는 방향으로 인장응력을 발생시킨다.
스프링 홀더(543)는 본체(544), 인장코일스프링(542)의 피치 P1보다 큰 피치P2의 나사머리를 갖도록 형성된 스크류(545), 인장코일스프링(542)의 중심을 향하여 스크류(545)로부터 연장된 버트(butt, 546), 본체(544)로부터 연장하여 열싱크(300과 350) 내로 들어가는 스러스터(thruster, 547)를 포함한다.
본체(544)는 인장코일스프링(542)의 직경보다 큰 직경을 가지고 인장코일스프링(542)의 탈출을 피하기 위하여 인장코일스프링(542)과 접촉하게 된다. 본체(544)는 가압유닛(530)이 배터리에 조립되었을 때 열 싱크(300과 350)와 접촉하게 된다.
스크류는 도면에 도시된 바와 같이 인장코일스프링(542)의 단부 내로 밀려들어가 인장코일스프링(542)의 내측과 맞물리고, 이에 의하여 이 스프링을 고정시킨다. 스크류 머리는 도12B에 도시된 바와 같이 피치 P2로 스크류(545)의 표면상에 형성된다. 스크류(545)의 피치 P2는 인장코일스프링(542)의 피치 P1보다 크다. 따라서 스크류(545)는 도12B에 도시된 화살표 방향으로 밀려들어갈 수 있다. 스크 류(545)가 밀려들어가면 버트(546)가 인장코일스프링(542)의 중심을 향해 전진한다.
스크류(545)가 인장코일스프링(542)의 양 끝으로부터 밀려들어가면 양측으로부터 전진하는 버트(546)는 도12A에 도시된 바와 같이 충돌한다. 이러한 상태에서 인장코일스프링(542)은 본래의 길이로부터 늘어나게 되고, 최초의 인장력이 가압유닛(530)의 최초 상태로서 가해진다.
너트(541)에 의해 조여질 수 있는 스크류 헤드가 스러스터(547)의 전단부에 형성된다. 후술할 회전을 방지하기 위한 슬릿(slit, 548)이 스러스터(547)의 최상단에 제공된다. 스프링 홀더(543)의 회전은 슬릿(548) 내에 머리가 납작한 스크류 드라이버를 삽입함으로써 용이하게 정지될 수 있다.
가압유닛(530)은 도13A에 도시된 바와 같이 열 싱크(300과 350) 사이에 배치된다.
스러스터(547)는 열 싱크(300)의 조립구멍을 관통한다. 이러한 상태에서 하나의 스프링 홀더(543)의 스러스터(547)는 다른 스프링 홀더(543)의 회전을 정지시키면서 너트(541)에 의해 조여진다. 그 다음 스프링 홀더(543)는 너트(541)로 끌어당겨진다. 두 스프링 홀더(543)가 이러한 방식으로 작동되면 스프링 홀더(543)는 도13B에 도시된 바와 같이 열 싱크(300과 350) 사이에 연장된 상태로 유지된 인장코일스프링(542)으로 인해 인장코일스프링(542)을 고정하는 상태로 상대적으로 떨어진다.
인장코일스프링(542)은 열싱크(300과 350) 간의 거리에 맞게 연장된다. 따 라서 너트(541)의 조임토크에 상관없이 인장코일스프링(542)을 수축시키는 방향으로 탄성이 얻어진다. 탄성은 배터리(200)를 구성하는 유닛 셀을 가압하는 작용을 한다.
도14에 도시된 바와 같이 중간 열 싱크(325)는 로케이트 핀(510과 520)을 관통시키는 구멍(330과 332)을 관통하는 로케이트 핀, 가압 유닛(530 내지 535)을 관통시키는 구멍(335 내지 340)을 관통하는 가압유닛, 관통볼트를 관통시키는 개구(341 내지 344)를 관통하는 관통볼트를 가진다.
중간 열 싱크(325)는 열 싱크(350)에 끼워진 로케이트 핀(510과 520)을 로케이트 핀 삽입구멍(330과 332) 내로 삽입시킴으로써 위치된다. 3개의 중간 열 싱크(325)가 동일한 간격으로 배터리(200)내에 겹쳐진다. 중간 열 싱크(325)는 열 싱크(350)와 동일한 재료로 만들어지거나 또는 경량을 고려하여 만족할만한 열전도성을 갖는 수지로 만들어질 수 있다.
도15에 도시된 바와 같이, 최상단의 열싱크(300)는 로케이트 핀(510과 520)을 삽입시키는 로케이트 핀 삽입구멍(312와 314), 가압유닛(530 내지 535)의 상단에 끼워지는 볼트를 관통시켜 너트(310A 내지 310F)로 이들 볼트를 고정시키는 볼트삽입구멍(315 내지 320), 관통볼트를 관통시키는 관통볼트 통과개구(321과 322)를 관통하는 관통볼트, 동력 터미널(450A와 450B)을 끼우는 전력터미널 조립구멍(323과 324)을 갖도록 형성된다(도4를 참조). 열싱크(300)는 로케이트 핀(510과 520)을 로케이트핀 삽입구멍(312와 314) 내로 삽입시킴으로써 위치된다. 열 싱크(300)를 위치시킬 때에 가압유닛(530 내지 535)의 최상단에 끼워진 볼트는 볼트삽 입구멍(315 내지 320) 내로 삽입되고 열 싱크(300)는 너트(310A 내지 310F)로 고정된다. 이러한 고정에 기초하여 열싱크(300과 350)는 배터리(200)와 일체가 된다. 관통볼트는 도면의 위쪽에서 아래쪽으로 관통볼트 통과개구(321과 322) 내로 삽입된다. 버스 바(262, 도4 참조)는 이들 관통볼트에 끼워진다. 전력 터미널(450A와 450B)은 전력터미널 조립구멍(323)에 끼워지고, 이들 전력 터미널은 동력원의 충전기나 모터에 접속된다.
열싱크(300과 350)는 적층방향으로 양측으로부터 셀을 가압함으로써 배터리(200)를 일체로 유지시키는 홀더로서의 기능을 한다. 이 홀더는 배터리(200)를 구성하는 모든 유닛 셀에 적층방향으로 표면 압력을 가하는 가압유닛의 역할과, 배터리(200)로부터 발생된 열을 방산시키는 냉각기로서의 기능을 가진다. 열 싱크(300과 350)는 배터리(200)를 구성하는 (도5의 셀 적층 400과 같은) 유닛 셀의 하나의 적층구조를 (도5의 셀 적층 410과 같은) 다른 적층구조에 전기적으로 접속시키는 제3 접속기로서 (도4에서 260으로 지시된 것과 같은) 버스 바 를 끼워넣는 기능을 가진다.
배터리의 제조과정
본 실시예에 따른 배터리의 제조과정이 도면을 기초하여 상세하게 설명될 것이다. 본 발명에 따른 배터리는 셀 모듈을 형성하는 단계와 유닛 셀을 형성하는 단계로 제조된다.
셀 모듈 형성단계
먼저, 도16에 도시된 바와 같이 4개의 유닛 셀(214A내지 214D)이 배터리(200)의 바닥층에 위치한 플레이트 프레임(210)상에 장착된다. 유닛 셀 장착에 있어서 아주 얇은 양면테이프가 각 유닛 셀의 외주(216)에 부착되고, 외주(216)는 프레임(210)의 외주 지지체(218)상에 장착되며, 이에 의하여 유닛 셀을 포지셔너 내로 끼워넣는다. 이것에 기초하여 4개의 유닛 셀이 프레임에 의해 임시적으로 고정되어 제작소로 운송될 수 있다. 4개의 유닛 셀은 도17에 도시된 상태로 프레임상에 장착된다. 프레임상에 유닛 셀을 배치함에 있어서, 전극 탭(215)의 극(양극/음극)은 도16과 도17에 도시된 바와 같이 유닛 셀의 배치방향으로 교대순이다. 다시 말하면 유닛 셀의 배치방향은 교대로 변하여 다른 극성이 서로 연접하도록 위치된다.
프레임(210)상에 배치된 각 유닛 셀(214A 내지 214D)의 한측의 전극탭(215)은 도17에 도시된 바와 같이 초음속 용접에 의하여 전압검출 터미널(500)과 용접된다. 한측의 전극 탭은 전도성 와셔 또는 절연 와셔가 내설된 프레임(210) 측면에 위치된 전극을 말한다. 따라서 이 단계에서 각 프레임은 도17에 도시된 바와 같이 4개의 지점에서 (즉 전극 탭(215)에서 그리고 도면의 저부측의 전압검출 터미널(500)에서) 초음속 용접된다.
유닛 셀의 배치와 전극탭과 전압검출 터미널간의 접속은 배터리(200)를 구성하는 24개의 프레임에 대해 수행된다. 유닛 셀의 극성은 반드시 도18에 도시된 바와 같이 셀 배치방향뿐만 아니라 프레임의 적층방향으로도 교대로 되어야 한다. 예를 들면 바닥층에 있는 프레임상에 장착된 유닛 셀이 도17의 저부의 좌측에서부터 양극, 음극, 양극, 음극순서의 극성을 갖는다면, 이 프레임상에 적층된 프레임상에 장착된 유닛 셀은 저부의 좌측으로부터 음극, 양극, 음극, 양극의 순서로 극성을 가져야 한다. 유닛 셀은 이러한 방식으로 배치되어 도5에 도시된 직렬회로가 구성된다.
적층구조 형성단계
도19에 도시된 바와 같이 전도성 와셔가 내설된 프레임(220)은 절연 와셔(212)가 내설된 프레임(210)상에 적층된다. 프레임은 전도성 와셔와 절연 와셔가 끼워진 프레임의 측면이 동일한 방향이 되도록 적층된다. 개구(217A)는 도16에 도시된 바와 같이 전도성 와셔와 절연 와셔가 끼워지지 않은 프레임의 측면의 단부에 형성된다. 초음속 용접도구가 프레임(210)의 저부측과 프레임(220)의 상부측의 개구(217A)내로 각각 삽입된다. 공구는 프레임(210)과 프레임(220) 상에 장착된 유닛 셀의 전극 탭을 사이에 끼워넣고, 이에 의하여 초음파 용접을 수행한다. 이 초음파 용접은 도19에 도시된 바와 같이 유닛 셀의 4개의 세트의 일측에서 전극 탭(215와 225)에 대해 수행된다.
전극탭 용접에 있어서 초음파 용접은 다음의 두가지 이유 때문에 이용된다. 초음파 용접에 따르면 고주파수 진동이 용접될 부분에 가해지고 이에 의하여 금속원자를 산란시킨다. 금속원자를 재결정시킴으로써 전극 탭이 기계적으로 접속된다. 따라서 초음파 용접은 같은 종류 또는 다른 종류의 금속을 함께 용접하는데에 아주 효과적이다. 본 실시예에 이용되는 유닛 셀은 알루미늄으로 만들어진 하나의 얇은 전극 탭과 구리로 만들어진 다른 얇은 전극탭을 가진다. 버스 바와 전압검출 터미널은 구리고 만들어진다. 따라서 전극탭간 및 전극탭과 전압검출 터미널간의 접속은 다른 종류의 금속간의 접속이다. 이는 초음파 용접을 이용하는 하나의 이유이다. 초음파 용접에 따르면 접속표면의 최대온도는 높지 않고 융합점의 약 35% 내지 50%로 억제될 수 있다. 따라서 모금속은 융합되지 않고 고온용접시에서와 같은 취약한 주조구조가 형성되지 않는다. 본 실시예에 이용된 유닛 셀은 박판금속으로 만들어진 외형이고 전극 탭은 고온으로 가열될 수 없다. 따라서 유닛 셀을 고온에 노출시키지 않고 아주 얇은 금속과 전극 탭을 접속시키기 위해서 초음파 용접이 가장 적합하다. 이는 두 번째 이유이다.
상술한 용접은 도17과 도18에 도시된 바와 같이 전극 탭(215와 225)이 전압검출 터미널(500) 사이의 접속을 달성한다. 이러한 작업에 기초하여 절연와셔(212)가 내설된 프레임(210)과 전도성 와셔가 내설된 프레임(220)이 한 세트의 프레임 유닛을 형성한다. 이러한 용접은 배터리(200)를 구성하는 프레임의 12세트에 대해 수행된다. 용접작업후 절연테이프(250A)이 도17에 도시된 바와 같이 전극 탭(215)의 외부 표면에 부착되어 프레임 유닛이 적층될 때 프레임간 전기적 절연을 제공한다.
다음, 도20에 도시된 바와 같이 로케이트 핀(510과 520)이 열 싱크(350)상에 세워진다. 가압유닛(530 내지 535)이 끼워지고 버스 바(260과 264)가 놓여지고 관통볼트(270, 275, 280, 285)가 끼워진다. 로케이트핀(510과 520), 가압 유닛(530 내지 535), 관통볼트(270, 275, 280, 285)가 프레임 유닛(550)상에 각각 형성된 구멍을 관통한다. 프레임 유닛(550)은 도20에 도시된 바와 같이 전도성 와셔가 위를 향하도록 프레임이 끼워지게 하여 열 싱크(350)상에 장착된다. 프레임상에 장착된 유닛 셀은 버스 바(260 또는 264)와 직접 접촉하여 전기적으로 접속된다. 절연와셔는 열 싱크(350)로부터 버스 바(260과 264)를 절연시킨다.
3개의 세트의 프레임 유닛(550)이 도21에 도시된 바와 같이 전도성 와셔가 위를 향하도록 프레임이 끼워지게 하여 적층된다. 프레임 유닛의 3세트의 적층은 6개의 유닛 셀의 적층을 제공한다. 프레임은 유닛 셀을 지지하는 외주가 아닌 다른 부분에 개구를 가지기 때문에, 적층방향으로 적층된 유닛 셀의 외부 표면은 서로 직접 접촉을 하게 된다. 중간 열 싱크(325)는 도21에 도시된 바와 같이 3세트의 프레임 유닛상에 장착된다. 따라서 6개의 유닛 셀이 열 싱크(350)와 중간 열 싱크(325) 사이에 끼워진다. 유닛 셀의 외부 표면은 서로 직접 접촉을 하기 때문에 유닛 셀 내부에서 발생하는 열이 열 싱크(350)와 중간 열 싱크(325)에 효과적으로 전달되어 방산된다. 열의 일부분은 물론 프레임으로부터 열 싱크로 간접적으로 전달된다. 바람직하게는 만족스러운 열전도성을 가지는 물질이 열방산의 관점에서 프레임으로서 이용된다.
나아가 3세트의 프레임 유닛, 중간 열 싱크(325), 3세트의 프레임 유닛, 중간 열 싱크(325), 3세트의 프레임 유닛이 중간 열 싱크(325)상에 적층된다. 마지막으로 열 싱크(300)가 적층되어 너트(310A 내지 310F, 도1을 참조)에 의해 임시적으로 조여진다. 너트는 임시적으로 관통볼트(270, 275, 280, 285)에 의해 고정된 다.
본 실시예에 따르면, 전도성 와셔는 유닛 셀의 두께와 동일하거나 작은 두께를 가진다. 따라서 프레임 유닛의 단순한 적층은 프레임 유닛간의 전기적 전도를 발생시키지 않고, 따라서 작업자가 전압을 신경쓰지 않고 작업을 수행할 수 있도록 한다. 전압을 고려함이 없이 작업을 용이하게 하기 위해 전압은 바람직하게는 40볼트와 동일하거나 낮은 전압이다. 하나의 프레임 유닛이 적층될 때마다 관통볼트(270)내로 종이로 만들어진 절연와셔 하나를 삽입하는 것이 바람하고 이에 이하여 확실하게 각 프레임 유닛을 절연시킬 수 있다. 이러한 배치에 따라 배터리는 전력 터미널(450A와 450B)간 높은 전압을 얻을 수 있다. 이는 작업자가 높은 전압에 노출되는 것을 확실하게 방지한다. 따라서 상술한 바와 같이 관통볼트(270, 275, 280, 285)가 너트로 임시적으로 고정될 때 어느 유닛 셀도 전기적으로 접속되어서는 안된다.
배터리(100)가 조립되고 종이로 만들어진 절연와셔가 삽입된 후, 프레임 유닛 사이에 끼워진 절연와셔가 제거된다. 임시적으로 고정된 모든 너트가 조여지면 각 유닛 셀에 표면압력이 가해지고 전극탭이 전도성 와셔로 인해 서로 접촉하게 된다. 결과적으로 배터리(100)를 구성하는 모든 유닛 셀은 도5에 도시된 바와 같이 전력 터미널(450A와 450B) 사이에 직렬로 접속하게 되고, 이에 의하여 전력 터미널(450A와 450B)간의 높은 전압을 얻는다.
본 실시예에 따르면 유닛 셀의 하나의 전극 탭은 초음파 용접되고, 다른 전극탭은 상술한 바와 같이 관통볼트로 고정된다. 대안적으로 양측의 전극탭이 관통 볼트로 고정될 수 있다. 양측의 전극탭을 관통볼트로 고정하는 경우에 있어서, 전도성 와셔와 절연와셔는 관통볼트를 통해 지나가 서로로부터 이들 전극 탭을 전도 또는 절연시키는 연접하는 전극탭을 대안적으로 만든다. 이러한 경우에 있어서, 전압검출 터미널은 터미널이 관통볼트 내로 접속되는 전도성 와셔를 삽입함으로서 설정될 수 있다. 대안적으로 양 전극탭이 초음파 용접될 수 있다. 이러한 경우에 있어서 초음파 용접은 프레임을 적층하는 동안 수행될 것이 요구한다. 따라서, 좁은 공간에서 초음파 용접공구를 설치하는 것을 가능하게 하기 위해 유닛 셀의 전극 탭을 끌어내는 위치는 적층 위치에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 유닛 셀이 바닥층의 프레임 유닛상에 장착되면 유닛 셀의 전극 탭은 좌측에서 오프셋 될 수 있다. 유닛 셀이 바닥층에 있는 프레임 유닛상에 적층된 프레임 유닛상에 장착되면 유닛 셀의 전극탭은 보통처럼 중심으로부터 끌어낸다. 유닛 셀이 프레임 유닛상에 적층된 다음 프레임 유닛상에 장착되면 유닛 셀의 전극탭은 우측에서 오프셋된다. 이러한 배치에 기초하여 프레임 유닛이 적층상태에 있을 때 초음파 용접공구를 위한 설치공간이 용이하게 안전해질 수 있다.
제2 실시예
제2 실시예의 배터리에 따르면, 유닛 셀간의 접속방법은 제1 실시예의 접속방법과 다르다. 상세하게 말하면, 프레임에 배치된 유닛 셀은 프레임 내에 직렬로 접속되어 셀 모듈(185)을 형성한다. 이들 유닛 셀은 유닛 셀의 적층방향으로 연접한 프레임 사이에서 직렬도 더욱 접속되어 배터리(200)를 형성한다. 배터리(200) 에 포함된 모든 유닛 셀은 직렬로 접속된다.
본 실시예에 따르면, 도22와 도23에 도시된 바와 같은 형상을 갖는 프레임(600)이 프레임에 배치된 유닛 셀을 직렬로 접속시키도록 이용된다. 도22는 프레임(600)상에 장착되는 유닛 셀(605 내지 608)과 함께 프레임(600)의 사시도이다. 도23은 유닛 셀(605 내지 608)이 장착되는 프레임(600)의 개략적인 평면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 프레임(600)은 프레임의 일단(610A)의 양측에 L-형상의 버스 바(620A와 620B)를 가지고, 이 일단(610A)의 중심에 I-형상의 버스 바(620C)를 가진다. 프레임(600)은 프레임의 다른 단부(610B)에 I-형상의 버스 바(620D와 620E)를 가진다. 각 프레임은 제1 실시예에서 설명된 프레임과 같이 한쪽 표면상에 배치된 4개의 유닛 셀을 유지하는 홀더(619)를 가진다. 다시 말하면 각 프레임은 유닛 셀의 외주의 적어도 일부분을 지지하는 외주 지지체(618)와, 유닛 셀을 위치시키는 포지셔너를 가진다. 포지셔너는 외주 지지체 주위에 형성되어 유닛 셀의 외주 단부를 위치시킨다. 프레임 포지셔너는 유닛 셀의 위치를 고정시키고, 외주 지지체는 유닛 셀의 외주를 지지한다. 유닛 셀의 외주와 프레임의 외주 지지체는 양면 테이프에 의해 임시적으로 고정된다. 따라서 유닛 셀은 제조과정에서 프레임상에 장착된 상태로 용이하게 운반될 수 있다.
유닛 셀(605 내지 608)이 프레임(600)상에 장착될 때, 유닛 셀(605)의 전극 탭(605A)은 버스 바(620A)와 접촉되게 되고, 유닛 셀(605)의 전극 탭(605B)은 버스 바(620D)와 접촉되게 된다. 유닛 셀(606)의 전극 탭(606A)은 버스 바(620C)와 접촉하게 되고, 유닛 셀(606)의 전극 탭(606B)은 버스 바(620D)와 접촉하게 된다. 유닛 셀(607)의 전극 탭(607A)은 버스 바(620C)와 접촉되게 되고, 유닛 셀(607)의 전극 탭(607B)은 버스 바(620E)와 접촉되게 된다. 유닛 셀(608)의 전극 탭(608A)은 버스 바(620B)와 접촉하게 되고, 유닛 셀(608)의 전극 탭(608B)은 버스 바(620E)와 접촉하게 된다.
유닛 셀은 도23에 도시된 바와 같이 유닛 셀의 극성이 교대로 배치되도록 프레임(600)상에 장착된다. 유닛 셀의 이러한 배치로 프레임상에 장착된 모든 유닛 셀은 직렬로 접속된다. 버스 바(620A 내지 620E)는 프레임에 유지된 유닛 셀의 하나의 전극 탭을 프레임에 유지된 하나의 다른 유닛 셀의 전극 탭에 전기적으로 접속시키는 부 접속유닛의 기능을 한다.
도24에 도시된 바와 같이 프레임(600)상에 장착된 유닛 셀(605 내지 608)의 전극 탭(605A, 605B, 606A, 606B, 607A, 607B, 608A, 608B)은 전극 탭이 각각 접속되는 버스 바(620A 내지 620E)와 함께 초음파 용접된다. 도25는 화살표 B의 방향으로부터(즉 저부로부터) 봤을 때 도24의 프레임(600)을 나타내는 도이다. 초음파 용접에 의해 버스 바를 전극 탭과 함께 접속시키는 용구를 위한 삽입 개구(630A 내지 630H)가 프레임의 일단부(610A)와 다른 단부에 제공된다. 초음파 용접기 용구는 이들 개구 내로 삽입되고, 전극 탭은 초음파로 진동하여 전극 탭을 버스 바와 함께 접속시킨다.
유닛 셀이 상술한 바와 같이 접속되는 24개의 프레임은 열 싱크(35)상에 적층되어 제1 실시예에 따른 방법과 유사한 방법으로 배터리를 형성한다. 프레임을 적층시킴에 있어서, 유닛 셀의 극성은 프레임의 적층방향으로 교대로 놓여질 것이 필요하다. 예를 들어 바닥층의 프레임상에 장착된 유닛 셀이 도23의 저부의 좌측으로부터 양극, 음극, 양극, 음극 순서로 극성을 갖는다면, 이 프레임상에 적층된 프레임상에 적층된 유닛 셀은 저부의 좌측으로부터 음극, 양극, 음극, 양극 순서로 극성을 가져야 한다.
상술한 배치에 기초하여 각 프레임의 L-형상의 버스 바의 양극/음극은 또한 프레임의 적층방향으로 교대로 배치된다. 따라서 적층방향으로 연접하게 배치된 버스 바가 각 2번째 버스 바에 개재된 절연물질과 함께 접속되고, 적층된 모든 유닛 셀은 도26에 도시된 바와 같이 직렬로 접속될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 중간 열 싱크는 또는 적층방향으로 각 6번째의 프레임에 개재된다.
도26에 있어서, 바닥층에 형성된 회로는 도23에 도시된 프레임(600)에 의해 형성된다. 도26에 도시된 바와 같이 동일 프레임에 배치된 유닛 셀(605 내지 608)은 버스 바(620A 내지 620E)를 이용하여 직렬로 접속된다. 다른 프레임이 이 프레임(600)상에 적층된다. 버스 바(620B) 상에 위치된 버스 바(즉 도26에서 ×로 표시된 부분)는 이들 프레임이 적층된 상태에서 초음파 용접된다. 절연테이프(즉 도26에서 정사각형 표시부분)이 버스 바(620A)가 버스 바(620A)상에 위치된 버스 바와 접촉되는 것을 방지하기 위하여 버스 바(620A)의 상부측에 부착된다. 도면에 도시된 바와 같이 24개의 프레임이 적층된다. 적층방향으로 연접하게 배치된 하나의 버스 바는 초음파 용접되고 다른 버스 바는 절연된다. 이러한 배치는 직렬로 접속된 96개의 유닛 셀을 가지는 직렬 회로를 제공한다.
본 실시예에 따르면 버스 바는 초음파 용접에 의하여 함께 접속되지만, 버스 바는 볼트 너트를 이용하여 접속될 수 있다. 볼트 너트가 접속을 위해 사용되는 때에는 진동 스토퍼(stopper)를 이용하여 볼트 너트 무게로 인한 버스 바의 진동을 방지하는 것이 바람직하다.
제3 실시예
제3 실시예에 따르면, 제1 및 제2 실시예에 따른 배터리와 다르게 배터리는 오직 하나의 유닛 셀만이 장착될 수 있는 프레임을 이용하여 형성된다. 제3 실시예에 따르면 각각에 하나의 유닛 셀이 장착되는 프레임이 적층되어 유닛 셀의 적층구조를 형성한다. 복수의 유닛 셀의 적층구조가 하나의 평면에 배치되어 배터리를 형성한다.
도27은 본 실시예에 이용된 프레임(700)의 형상을 나타내는 도이다. 프레임(700)의 형상은 제1 실시예에 따라 하나의 유닛 셀이 장착되는 프레임 부분의 형상과 거의 동일하다. 다시 말하면 프레임(700)은 하나의 유닛 셀을 유지하는 홀더(719)를 가진다. 홀더는 유닛 셀의 외주의 적어도 일부를 유지하는 외주 지지체(718)와 유닛 셀을 위치시키는 포지셔너를 가진다. 포지셔너는 유닛 셀의 외주 단부를 위치시키는 외주 지지체의 주위에 형성된다.
프레임 포지셔닝 로케이트 핀을 통과시키는 로케이트 핀 관통구멍(702, 704, 706, 708)이 프레임(700)의 네 구석에 제공된다. 전압검출 터미널(720)이 삽입 몰딩에 의해 프레임(700)에 끼워진다. 유닛 셀(710)이 프레임(700)상에 장착될 때 유닛 셀(710)의 하나의 전극 탭(710A)이 전압검출 터미널(720)과 접촉하게 된다.
도28에 도시된 바와 같이 각 6번째 프레임에 개재된 중간 열 싱크(730)와 함께 24개의 프레임(700)이 적층되어 유닛 셀(750)의 적층구조를 형성한다. 적층구조(750)를 구성하는 모든 유닛 셀은 도5에 도시된 바와 같은 적층구조(400)와 유사하게 직렬로 전기적으로 접속된다. 본 실시예에 따르면 전극 탭은 초음파 용접에 의해 서로 접속된다. 적층구조의 바닥층과 최상단층에 위치된 프레임은 각각 버스 바(740A와 740B)에 의해 각각 끼워진다.
전술한 방법으로 제조된 4개의 적층구조가 도29에 도시된 바와 같이 열 싱크(350)의 동일 평면상에 배치된다. 16개의 로케이트 핀(745)이 열 싱크(350) 상에 세워져 적층구조(750, 760, 770, 780)를 위치시킨다(즉 4개의 로케이트 핀이 각 적층구조마다에 대해 세워진다). 로케이트 핀은 유닛 셀 적층(750, 760, 770, 780)의 대응하는 로케이트 핀 관통구멍 내로 삽입된다. 모든 적층구조(750, 760, 770, 780)는 이러한 방식으로 열 싱크(350) 상에 장착된다. 비록 도시되지는 않았지만 각 적층구조의 버스 바는 접속기에 의해 전기적으로 접속되어 4개의 적층구조가 직렬로 접속된다. 모든 적층구조(750, 760, 770, 780)가 열 싱크(350)상에 장착된 후 도1에 도시된 바와 같은 열 싱크(300)가 마지막으로 장착된다. 결과적으로 도1의 배터리의 외형과 동일한 배터리가 형성된다.
본 발명의 제1 내지 제3 실시예에서 설명된 바와 같이 배터리는 유닛 셀 사이에 간극을 거의 제공하지 않는 유닛 셀의 적층구조를 가진다. 중간 열 싱크가 필요한 열 방산량에 대응하는 수만큼 개재되고, 이에 의하여 각 유닛 셀에 대해 적절 한 표면압력을 가한다. 따라서 고에너지 밀도를 갖는 자동차용의 간소한 셀이 구성될 수 있다. 배터리는 간극없는 견고한 구조를 가지기 때문에, 셀은 우수한 진동저항과 함께 높은 강성을 갖는다. 배터리는 단순히 프레임 유닛을 적층시키고 볼트로 프레임 유닛을 조임으로써 조립될 수 있다. 따라서 조립작업이 효율적이다.
본 발명에 따른 배터리는 간소한 구조, 경량과 함께 탁월한 진동저항 및 열방산성을 갖는다. 따라서 배터리는 자동차용 셀 뿐만이 아니라 열악한 작업환경의 분야에서 일하는 로봇의 동력원으로 또한 건설현장의 동력원으로 이용될 수 있다.
본 발명의 배터리를 제조하는 방법에 따르면, 셀 모듈이 첫 번째로 형성되고 그 다음 유닛 셀의 적층구조가 형성된다. 따라서 각 생산고정의 작업역할이 명확하다. 그 결과 신뢰도가 높은 배터리가 효율적으로 제조될 수 있다.
본 발명은 35USC S119하에 2003년 10월 10일에 출원된 일본 특허출원 2003-351710에 대해 우선권을 주장하고 있으며, 그 전체 내용은 참조를 위해 여기에 합체되어 있다. 비록 본 발명은 본 발명의 소정의 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않는다. 상술한 범위 내에서 당업자가 전술된 실시예에 대해 변경과 변화를 가할 수 있다. 발명의 범위는 다음의 청구항을 참조하여 정해진다.

Claims (28)

  1. 배터리로서, 상기 배터리는
    복수의 셀 모듈을 포함하며, 상기 셀 모듈들은 서로 접속되어 있고,
    각각의 상기 셀 모듈은 복수의 플랫 유닛 셀(flat unit cell)을 갖고, 상기 플랫 유닛 셀은 전력발생요소 및 상기 전력발생요소를 기밀시키는 외부재료로서 필름을 가지며, 전극 탭들이 상기 외부재료로부터 도출되고,
    가상 평면에 배치된 각 셀 모듈 내에서 상기 플랫 유닛 셀들을 각각이 갖는 플레이트 프레임을 포함하고, 상기 프레임들은 상기 가상 평면과 교차하는 방향으로 적층되는, 배터리.
  2. 삭제
  3. 배터리로서, 상기 배터리는
    복수의 셀 모듈을 포함하며, 상기 셀 모듈들은 서로 접속되어 있고,
    각각이 플랫 유닛 셀을 갖는 플레이트 프레임을 포함하고, 상기 플랫 유닛 셀은 전력발생요소 및 상기 전력발생요소를 기밀시키는 외부재료로서 필름을 가지며, 전극 탭들이 상기 외부재료로부터 도출되고, 상기 프레임들이 적층되어 상기 셀 모듈을 형성하는, 배터리.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 각각 상기 셀 모듈을 가압함으로써 상기 셀 모듈을 일체적으로 유지하는 홀더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  6. 제3항에 있어서, 상기 프레임은 플랫 유닛 셀을 유지하는 홀더를 가지고, 상기 홀더는 플랫 유닛 셀의 외주의 일부분을 지지하는 외주 지지체와, 그 안에 플랫 유닛 셀을 위치시키는 포지셔너(positioner)를 가지는 것을 특징으로 하는 배터리.
  7. 제1항에 있어서, 상기 프레임은 플랫 유닛 셀을 유지하는 홀더를 가지고, 상기 홀더는 플랫 유닛 셀의 외주의 일부분을 지지하는 외주 지지체와, 플랫 유닛 셀을 위치시키는 포지셔너를 가지는 것을 특징으로 하는 배터리.
  8. 제3항에 있어서, 상기 프레임은 프레임에 유지된 플랫 유닛 셀의 하나의 전극 탭을 적층방향으로 그것에 연접한 다른 프레임에 유지된 플랫 유닛 셀의 하나의 전극 탭에 전기적으로 접속시키는 제1 접속기를 가지는 것을 특징으로 하는 배터리.
  9. 제1항에 있어서, 상기 프레임은 프레임에 유지된 플랫 유닛 셀의 하나의 전극 탭을 적층방향으로 그것에 연접한 다른 프레임에 유지된 플랫 유닛 셀의 하나의 전극 탭에 전기적으로 각각 접속시키는 제1 접속기를 가지는 것을 특징으로 하는 배터리.
  10. 제1항에 있어서, 상기 프레임은 프레임에 유지된 플랫 유닛 셀의 하나의 전극 탭을 동일 프레임에 유지된 다른 플랫 유닛 셀의 하나의 전극 탭에 전기적으로 각각 접속시키는 제2 접속기를 가지는 것을 특징으로 하는 배터리.
  11. 제3항에 있어서, 상기 프레임은 프레임에 유지된 플랫 유닛 셀의 전압을 검출하고 플랫 유닛 셀의 전극 탭에 전기적으로 접속된 전압검출 터미널을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리.
  12. 제1항에 있어서, 상기 프레임은 프레임에 유지된 플랫 유닛 셀의 전압을 검출하고 플랫 유닛 셀의 전극 탭에 전기적으로 접속된 전압검출 터미널을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리.
  13. 제5항에 있어서, 상기 홀더는 상기 셀 모듈을 구성하는 상기 플랫 유닛 셀 모두에 적층방향으로 표면압력을 가하는 가압유닛으로서의 기능과 상기 셀 모듈로부터 발생된 열을 방산시킴으로써 상기 셀 모듈을 냉각시키는 냉각기로서의 기능을 하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  14. 제5항에 있어서, 상기 홀더는 셀 모듈의 하나의 적층구조를 셀 모듈의 다른 적층구조에 전기적으로 접속시키는 제3 접속기를 가지는 것을 특징으로 하는 배터리.
  15. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 냉각기가 적층된 프레임 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  16. 제1항에 있어서, 상기 플랫 유닛 셀의 외부표면이 적층방향으로 상기 플랫 유닛 셀에 연접한 플랫 유닛 셀의 외부 표면과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  17. 제1항에 있어서, 상기 플랫 유닛 셀은 플랫 유닛 셀의 전극 탭의 극성이 적층방향으로 교대로 배치되도록 프레임에 유지되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  18. 제1항에 있어서, 하나의 프레임에 배치된 플랫 유닛 셀은 전극 탭의 극성이 배치방향으로 교대로 배치되도록 프레임에 유지되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  19. 제1항에 있어서, 상기 플랫 유닛 셀은 순서대로 적층된 음극 플레이트와 양극 플레이트를 갖는 적층된 전력발생요소를 내부에 구비하며, 상기 셀 모듈은 상기 전력발생요소의 양극 플레이트와 음극 플레이트의 적층 방향과 동일한 방향으로 적층되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  20. 제1항에 있어서, 모든 플랫 유닛 셀은 전기적으로 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 배터리.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 복수의 플랫 유닛 셀을 포함하는 셀 모듈을 형성하는 단계로서, 상기 플랫 유닛 셀은 전력발생요소 및 상기 전력발생요소를 기밀시키는 외부재료로서 필름을 가지며, 전극 탭들이 상기 외부재료로부터 도출되는, 셀 모듈을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 셀 모듈을 형성하는 단계는,
    플레이트 프레임에 상기 플랫 유닛 셀 중 하나를 유지하고, 상기 플랫 유닛 셀을 유지하는 상기 플레이트 프레임들을 적층하는 단계; 및
    플랫 유닛 셀이 서로 전기적으로 접속되는 셀 모듈의 적층구조를 형성하는 단계를 포함하는, 배터리 제조방법.
  24. 복수의 플랫 유닛 셀을 포함하는 셀 모듈을 형성하는 단계로서, 상기 플랫 유닛 셀 각각은 전력발생요소 및 상기 전력발생요소를 기밀시키는 외부재료로서 필름을 가지며, 전극 탭들이 상기 플랫 유닛 셀로부터 도출되고, 하나의 평면상에 배치된 복수의 플랫 유닛 셀이 프레임에 유지되는, 셀 모듈을 형성하는 단계; 및
    상기 플랫 유닛 셀이 서로 전기적으로 접속되는 셀 모듈의 적층구조를 형성하는 단계를 포함하는, 배터리 제조방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 적층구조를 형성하는 단계는 하나의 셀 모듈을 형성하는 플랫 유닛 셀과 다른 셀 모듈을 형성하는 플랫 유닛 셀을 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 제조방법.
  26. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 적층구조를 형성하는 단계는 하나의 셀 모듈을 형성하는 플랫 유닛 셀을 다른 셀 모듈을 형성하는 플랫 유닛 셀에 기계적으로 접속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 제조방법.
  27. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 적층구조를 형성하는 단계는 용접 및 기계적 접속에 의해 하나의 셀 모듈을 형성하는 플랫 유닛 셀을 다른 셀 모듈을 형성하는 플랫 유닛 셀에 전기적으로 접속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 제조방법.
  28. 제24항에 있어서, 상기 셀 모듈을 형성하는 단계에서, 상기 플랫 유닛 셀은 서로 전기적으로 접속되지 않고,
    상기 적층구조를 형성하는 단계 후에, 플랫 유닛 셀 각각이 연접하는 셀 모듈에 의해 포함된 대응하는 플랫 유닛 셀에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 배터리 제조방법.
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