KR101844466B1 - 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체는, 규격화된 소용량 리튬이온 배터리 셀(10)을 1개씩 교체가능하도록 전지부모듈(20)의 내부에 수용하면서 그 전지부모듈(20)의 상면 및 4방향 측면에 양극의 전원단자(26a, 28a)와 하면 및 4방향 측면에 음극의 전원단자(26b, 28b)를 각각 배치하고, 이들 다수의 전지부모듈(20)을 연결자모듈(40)과 거치모듈(50)에 의해 다양한 대용량의 에너지 저장장치의 요구에 맞도록 사용자가 직접 직렬과 병렬 및 직병렬로 손 쉽게 연결하여 사용할 수 있는 구조이기 때문에 배터리 셀(10)을 수용하기 위한 새로운 신규 설계 및 금형 투자비에 소요되는 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 별도의 공구를 사용하지 않고 전지부모듈(20)들을 상하방향과 측면방향으로 다양하게 조합하여 필요한 설치공간에 빠르게 설치할 수 있으므로 산업성 및 안정성을 높일 수 있는 것임.

Description

사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체{MODULAR BATTERY ASSEMBLY FOR USER-CENTRIC}
본 발명은 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시중에 판매되는 규격화된 18650 등의 원통형 소용량 리튬이온 배터리 셀을 교체가능하게 1개씩 모듈화할 수 있는 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 현재 많은 곳에서 배터리를 이용한 기기가 사용되어지고 있다. 스마트폰, 노트북 등 휴대용 전자기기부터 배터리를 이용한 충전 가능한 전기자전거 및 전기자동차 등 배터리를 이용한 물품들이 사용되어지고 있는 상황에서 배터리의 성능이 전체 기기의 성능을 가늠할 수 있는 척도가 되고 있다.
특히 대용량의 배터리를 사용하기 위해서 배터리 셀을 여러 개의 직병렬 연결을 통한 배터리 팩 형태의 이차전지로 사용하고 있다. 배터리 팩 형태를 구성하는 방법에는 배터리 셀의 양극과 음극 단자에 니켈 극판을 대어서 점(spot) 용접을 하는 경우와 배터리 셀들을 고정 할 수 있는 구조물과 배터리 셀 간의 양극 단자들을 니켈 극판 등을 연결 및 고정 시켜서 배터리 셀을 포함한 배터리 팩을 제작하는 경우가 있다.
종래의 방법으로는 배터리의 양극과 음극을 직렬과 병렬로 연결할 때 별도의 극판과 배터리 전극 사이를 순간적으로 전압을 가하는 점(Spot) 용접을 통하여 연결하는 형태로 다수의 셀을 직렬과 병렬로 연결하여 사용하기 때문에 반복적인 충방전을 통해 배터리 팩을 사용할 때 배터리 셀 중 몇 개의 배터리 셀이 조기 노화, 단자 저항증가, 셀의 열손실 및 내부 저항 증가 등의 문제가 발생하여 전체 배터리 팩의 성능이 저하될 경우, 문제가 발생한 몇 개의 배터리 셀을 교체하려 할 때 점(SPOT) 용접된 별도의 극판과 배터리의 전극을 분리하기가 매우 어려워 사실상 배터리 셀의 부분 교체나 수리가 불가능하였고, 이로 인하여 다수의 셀이 결합된 전체 배터리 팩의 수명이 이를 구성하고 있는 몇 개의 배터리 셀의 노화 및 단자저항 증가 등으로 인한 수명 저하가 발생할 경우 배터리 팩을 구성하고 있는 나머지 정상적인 배터리 셀들을 그 수명을 다할 때까지 사용하지 못하는 문제점이 대두되었다.
예를 들어, 3.7V 2600mAH의 특성을 가진 리튬이온배터리 셀을 24V 26AH의 특성을 가지는 6S 10P의 배터리 팩으로 구성하고자 한다면 도 1과 같이 10개의 리튬이온 배터리 셀을 일렬로 나열하여 +극은 +극끼리 별도의 극판에 점(spot) 용접하고 -극은 다른 10개의 +극으로 점(spot) 용접하는 방법이 사용되었다. 하지만 하나의 셀이 조기 노화, 단자 저항증가, 셀의 열손실 및 내부 저항 증가 등의 문제가 발생하여 성능이 떨어지게 되면 전체 배터리 팩의 성능도 저하되게 된다. 이를 시정하기 위해서는 성능이 떨어진 단위 배터리 셀을 검출 및 교체를 해야 한다. 하지만 이를 별도로 분리하여 검사하기 위해서는 인위적으로 극판과 배터리 셀의 전극을 떼어내야 한다. 이 작업은 극판과 배터리 셀 사이에 단락에 의한 아크 발생으로 인한 감전 사고, 화재 위험 등의 안전사고가 발생할 수 있다. 또한 별도의 극판과 분리된 배터리 셀의 양극과 음극이 손상되어 재사용이 사실상 불가능하였다.
그래서 제안된 또 다른 종래의 등록특허 제10-1441900호(2014-.09.12)의 배터리 팩 구조는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 2개 또는 3개 각각의 배터리 셀(130)의 절반이 나란하게 각각 삽입되도록 배터리 삽입홈이 형성되어 삽입된 절반의 배터리 셀(130) 몸체를 감싸는 구조를 갖는 제1 외부프레임(120)과 제1 외부프레임(120)과 동일하게 타절반의 배터리 셀(130)이 나란하게 각각 삽입되도록 배터리 삽입홈이 형성되어 제1 외부프레임(120)과 체결되는 제2 외부프레임(140); 상기 제1, 2 외부프레임(120, 140)의 양쪽 끝단에 각각 위치하여 외부프레임과 결속되는 한 쌍의 외부프레임 커버(100, 160); 상기 외부프레임 커버(100, 160)의 하부에 위치하여 상기 외부프레임 커버(100,160)와 각각 접촉한 한 쌍의 스프링(112, 152)을 통해 배터리 셀(130)의 전원을 공급받기 위해 스프링(112, 152)과 결속되는 단자 볼트 홈(111, 151)이 구비된 한 쌍의 전원단자(110, 150);를 포함하여 구성되어 있다.
그러나, 상기와 같이 구성된 종래에 따른 배터리 팩 구조는 제1, 2 외부프레임(120, 140)이 2개 또는 3개 배터리 셀(130)을 수용하는 공간으로 한정되도록 생산자 중심으로 제작되어 판매되기 때문에 배터리셀(130)의 사용 개수가 변경되는 경우 이전의 제1, 2 외부프레임(120, 140)를 그대로 사용할 수 없으므로 새로운 외부프레임(외부홀더)에 대한 신규 설계 및 금형 투자비가 소요되는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 제1, 2 외부프레임(120, 140)은 상하방향으로만 한 쌍의 전원단자(110, 150)가 결속된 구조이기 때문에 첨부된 도면 도 3에 도시된 바와 같이 2P 단위 모듈과 3P의 단위 모듈 다수를 엮어서 7S 8P의 결합 구조로 배터리 셀(130)을 다중 연결할 수는 있으나, 제1, 2 외부프레임(120, 140)에 의해 다수의 배터리 셀(130)의 양극과 음극이 동일한 방향으로 위치된 상태에서 측면끼리 밀착될 때 측면에서 전원 연결이 이루어지도록 하는 횡형 병렬 또는 횡형복합방식 병렬로 다중 연결이 어려웠다.
즉, 제1, 2 외부프레임(120, 140)의 측면에는 내부에 수용된 배터리 셀(130)의 단자와 연결되도록 측면 전원단자가 없기 때문에 다수의 배터리 셀(130)을 횡형 병렬 또는 횡형복합방식 병렬로 다중 연결 사용이 불가능하였다.
1. 공개특허 제10-2013-0090100호(2013.08.13) 셀 홀더 2. 등록특허 제10-1441900호(2014.09.12) 배터리 팩 구조
본 발명의 목적은 기존의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 제안된 것으로서, 규격화된 소용량 리튬이온 배터리 셀을 1개씩 교체가능하게 모듈화하여 다양한 대용량의 에너지 저장장치의 요구에 맞도록 사용자가 직접 직렬과 병렬 및 직병렬로 손 쉽게 연결하여 사용할 수 있는 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체는, 규격화된 소용량 리튬이온 배터리 셀을 교체가능하게 1개씩 모듈화하여 사용자가 직접 직렬과 병렬 및 직병렬로 다중 연결하여 사용할 수 있도록 전지부모듈, 연결자모듈, 거치모듈을 구성하되,
상기 전지부모듈은, 상기 배터리 셀의 상부 절반을 수용하도록 하부가 개구된 직사각 통형상으로 형성되면서 그 상면에 단자홀 및 4방향 측면에 단자홀이 형성된 절연재질의 제1 외부홀더와, 상기 배터리 셀의 하부 절반을 수용하여 상기 제1 외부홀더의 하부와 대응되게 결합되도록 상부가 개구된 직사각 통형상으로 형성되면서 그 하면에 단자홀 및 4방향 측면에 단자홀이 형성된 절연재질의 제2 외부홀더와, 상기 제1 및 제2 외부홀더의 내부를 통해 상면 및 하면에 각각 형성된 단자홀에 대응되게 위치되면서 중앙이 외부로 노출되는 상부 및 하부 전원단자와, 상기 제1 외부홀더의 내부를 통해 4방향 측면에 대해 상단과 가깝게 동일한 높이에 형성된 단자홀에 대응되게 각각 위치되면서 중앙이 외부로 노출되도록 사각형의 표면적 중앙에 양극이 표시된 다수의 측면부 전원단자와, 상기 제2 외부홀더의 내부를 통해 4방향 측면에 대해 상단과 가깝게 동일한 높이에 형성된 단자홀에 대응되게 각각 위치되면서 상기 제1 외부홀더와 제2 외부홀더가 결합된 전지부모듈의 길이측 중심에서 상하 높이가 어긋나게 중앙이 외부로 노출되도록 삼각형의 표면적 중앙에 음극이 표시된 다수의 측면부 전원단자와, 상기 제1 외부홀더의 내부에 삽입되어 상기 배터리 셀의 양극과 상기 상부 전원단자에 동시 탄력적으로 밀착됨과 동시에 배터리 셀의 상부 외주면에서 상기 다수의 측면부 전원단자에 동시 탄력적으로 밀착되도록 도체로 이루어진 상부 판스프링과, 상기 제2 외부홀더의 내부에 삽입되어 상기 배터리 셀의 음극과 상기 하부 전원단자에 동시 탄력적으로 밀착됨과 동시에 배터리 셀의 하부 외주면에서 상기 다수의 측면부 전원단자에 동시 탄력적으로 밀착되도록 도체로 이루어진 하부 판스프링을 포함하고,
상기 연결자모듈은, 상기 전지부모듈의 2개를 합친 상부 또는 하부 평면적과 동일하도록 직사각 통형상으로 형성되면서 그 하면 좌우에 일정 간격을 두고 좌우 한 쌍의 관통홀이 형성된 절연재질의 연결몸체와, 상기 연결몸체의 내부에 상기 좌우 한 쌍의 관통홀의 안내를 받아 일정 높이로 상하 이동되면서 전지부모듈의 2개에 대해 양극과 음극 또는 같은 극성끼리 끼워맞춤되는 좌우 한 쌍의 전원단자와, 상기 연결몸체의 내부에 좌우 한 쌍의 전원단자의 상면들과 연결되어 하부로 동시 탄발력을 가하면서 서로 통전되도록 설치되는 반원형상의 판스프링을 포함하며,
상기 거치모듈은, 상기 전지부모듈의 상하면에 결합되는 상하부용 커버부재와, 상기 전지부모듈의 4방향 측면에 결합되는 측면부용 커버부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 제1 외부홀더의 상면과 제2 외부홀더의 하면에는 상기 연결자모듈 또는 거치모듈의 일측이 결합되도록 가장자리를 따라 끼움홈이 오목하게 형성된 것을 특징으로 한다.
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다른 실시예로서, 본 발명의 상부 및 하부 판스프링은, 배터리 셀의 상하면을 향해 반원형상으로 오목하게 휘어지면서 4방향으로 90°간격을 두고 분할되는 열십자모양의 제1 단자 밀착판과, 상기 단자 밀착판의 4방향 끝단에 동일한 각도로 절곡되어 상기 배터리 셀의 외주면에 끼워짐과 동시에 상기 측면부 전원단자에 각각 밀착되면서 바깥으로 밀어주도록 탄성을 가하는 다수의 제2 단자 밀착판으로 구성된 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 전지부모듈의 4방향 측면에 대하여 길이측 정중앙에는 다수의 전지부모듈들이 측면끼리 동일한 높이에서 서로 대응되게 결속되도록 자성체가 각각 고정된 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 전지부모듈의 4방향 측면에 대하여 길이측 정중앙에는 다수의 전지부모듈들이 측면끼리 동일한 높이에서 서로 대응되게 결속되도록 요철부가 각각 형성된 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 요철부는, 상기 전지부모듈의 4방향 측면 중앙에 동일한 높이로 형성된 돌기와 홈으로 이루어진 것으로서, 상기 돌기는 4방향 측면중에서 직교되는 2면에 형성되고, 상기 홈은 4방향 측면중에서 나머지 직교되는 2면에 형성된 것을 특징으로 한다.
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다른 실시예로서, 본 발명의 연결몸체의 가장자리에는 상기 전지부모듈의 상하면에 형성된 끼움홈과 대응되게 결합되도록 복수의 끼움돌기가 형성된 것을 특징으로 한다.
삭제
다른 실시예로서, 본 발명의 상하부용 커버부재는, 상기 전지부모듈의 상부 또는 하부 평면적과 동일하도록 사각 통형상으로 형성되면서 그 하면 중앙에 관통홀이 형성된 절연재질의 몸체와, 상기 몸체의 하면에 대해 상기 관통홀을 사이에 두고 가장자리에 상기 전지부모듈의 상하면측 끼움홈과 선택적으로 대응되게 결합되는 끼움돌기와, 상기 몸체의 내부에 상기 관통홀의 안내를 받아 일정 높이로 상하 이동되면서 전지부모듈의 상부 전원단자 또는 하부 전원단자에 끼워맞춤되는 전원단자와, 상기 몸체의 내부에 전원단자의 상면과 연결되어 하부로 탄발력을 가하는 도체의 판스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 상기 판스프링은 외부 케이블과 전기적으로 접속된 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 측면부용 커버부재의 정중앙 높이측 안쪽면에는 상기 전지부모듈의 4방향 측면 중앙에 설치된 자성체(36)와 탈부착되도록 자성체가 압입 고정된 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 측면부용 커버부재의 정중앙 높이측 안쪽면에는 상기 전지부모듈의 4방향 측면 중앙에 형성된 요철부와 탈부착되도록 돌기 또는 홈이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체는, 규격화된 소용량 리튬이온 배터리 셀을 1개씩 교체가능하도록 전지부모듈의 내부에 수용하면서 그 전지부모듈의 상면 및 4방향 측면에 양극의 전원단자와 하면 및 4방향 측면에 음극의 전원단자를 각각 배치하고, 이들 다수의 전지부모듈을 연결자모듈과 거치모듈에 의해 다양한 대용량의 에너지 저장장치의 요구에 맞도록 사용자가 직접 직렬과 병렬 및 직병렬로 손 쉽게 연결하여 사용할 수 있는 구조이기 때문에 배터리 셀을 수용하기 위한 새로운 신규 설계 및 금형 투자비에 소요되는 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 별도의 공구를 사용하지 않고 전지부모듈들을 상하방향과 측면방향으로 다양하게 조합하여 필요한 설치공간에 빠르게 설치할 수 있으므로 산업성 및 안정성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래에 따른 배터리 팩 구조 중 2개의 배터리 셀의 구조를 도시한 분해 사시도,
도 2는 종래에 따른 배터리 팩 구조의 결합 사시도,
도 3은 종래에 따른 2P와 3P 배터리 팩을 이용하여 7S 8P 리튬이온 배터리 팩의 연결한 상태를 도시한 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 전지부모듈을 도시한 분해 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 전지부모듈을 도시한 결합 사시도,
도 6a는 도 5의 A-A선에 따른 종단면도,
도 6b는 도 5의 B-B선에 따른 횡단면도,
도 7은 본 발명에 따른 전지부모듈이 자석방식에 의해 측면결속되는 상태를 설명하기 위한 정면도,
도 8는 본 발명에 따른 전지부모듈이 요철방식에 의해 측면결속되는 상태를 설명하기 위한 정면도,
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 전지부모듈이 연결자모듈에 의해 횡직렬과 횡병렬로 각각 연결된 상태를 도시한 종단면도,
도 10은 본 발명에 따른 거치모듈을 도시한 결합 종단면도,
도 11a 및 도 11b는 본 발명에 따른 모듈형 배터리 조립체가 종횡복합방식 직렬 및 횡형복합방식 직렬로 각각 연결된 상태를 도시한 사시도,
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따른 모듈형 배터리 조립체가 횡형 병렬 및 횡형복합방식 병렬로 각각 연결된 상태를 도시한 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부도면 도 4 내지 도 12를 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체는, 시중에 판매되는 규격화된 18650 등의 원통형 소용량 리튬이온 배터리 셀(10)을 교체가능하게 1개씩 모듈화하여 전기자전거 등의 다양한 대용량의 에너지 저장장치의 요구에 맞는 전압 및 전류량으로 사용자가 직접 직렬과 병렬 및 직병렬로 손 쉽게 다중 연결하여 사용할 수 있도록 전지부모듈(20), 연결자모듈(40), 거치모듈(50)을 포함하도록 구성되어 있다.
즉, 상기 전지부모듈(20)은, 도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이 배터리 셀(10)의 상부 절반을 수용하도록 하부가 개구된 직사각 통형상으로 형성되면서 그 상면에 단자홀(22a) 및 4방향 측면에 단자홀(22b)이 형성된 절연재질의 제1 외부홀더(22)와, 상기 배터리 셀(10)의 하부 절반을 수용하여 상기 제1 외부홀더(22)의 하부와 대응되게 결합되도록 상부가 개구된 직사각 통형상으로 형성되면서 그 하면에 단자홀(24a) 및 4방향 측면에 단자홀(24b)이 형성된 절연재질의 제2 외부홀더(24)와, 상기 제1 및 제2 외부홀더(22, 24)의 내부를 통해 상면 및 하면에 각각 형성된 단자홀(22a, 24a)에 대응되게 위치되면서 중앙이 외부로 노출되는 상부 및 하부 전원단자(26a, 26b)와, 상기 제1 및 제2 외부홀더(22, 24)의 내부를 통해 4방향 측면에 각각 형성된 단자홀(22b, 24b)에 대응되게 위치되면서 중앙이 외부로 노출되는 다수의 측면부 전원단자(28a, 28b)와, 상기 제1 외부홀더(22)의 내부에 삽입되어 상기 배터리 셀(10)의 양극과 상기 상부 전원단자(26a)에 탄력적으로 동시 밀착됨과 동시에 배터리 셀(10)의 상부 외주면에서 상기 다수의 측면부 전원단자(28a)에 탄력적으로 동시 밀착되도록 도체로 이루어진 상부 판스프링(30a)과, 상기 제2 외부홀더(24)의 내부에 삽입되어 상기 배터리 셀(10)의 음극과 상기 하부 전원단자(26b)에 동시 탄력적으로 밀착됨과 동시에 배터리 셀(10)의 하부 외주면에서 상기 다수의 측면부 전원단자(28b)에 동시 탄력적으로 밀착되도록 도체로 이루어진 하부 판스프링(30b)을 포함한다.
이때, 상기 제1 외부홀더(22)의 하부 개구와 제2 외부홀더(24)의 상부 개구에는 서로 대응되게 끼워맞춤에 의해 결합되도록 끼움단차면(22c, 24c)이 형성된 것으로서, 상기 끼움단차면(22c)은 제1 외부홀더(22)의 하부 개구측 내경으로부터 연장 형성되고, 상기 끼움단차면(24c)은 제2 외부홀더(24)의 상부 개구측으로부터 확장되어 상기 끼움단차면(22c)에 끼워진 후 헛돌지 않도록 사각링형상으로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 제1 외부홀더(22)의 상면과 제2 외부홀더(24)의 하면에는 상기 연결자모듈(40) 또는 거치모듈(50)의 일측이 끼워맞춤에 의해 결합되도록 가장자리를 따라 링형상의 끼움홈(22d, 24d)이 오목하게 형성되어 있다.
상기 상부 및 하부 전원단자(26a, 26b)는 상기 상부 및 하부 판스프링(30a, 30b)의 탄성에 의해 상기 제1 및 제2 외부홀더(22, 24)의 내부에서 상면과 하면에 각각 밀착 지지되는 것으로서, 상부 전원단자(26a)의 상면 중앙은 상기 단자홀(22a)을 통해 외부로 돌출되어 상기 연결자모듈(40) 또는 거치모듈(50)과 스냅(snap)방식으로 서로 대응되게 끼워지도록 구성되고, 하부 전원단자(26b)의 하면 중앙은 상기 단자홀(24a)의 내부 일정높이에 안착되어 상기 연결자모듈(40) 또는 거치모듈(50)과 스냅(snap)방식으로 서로 대응되게 끼워지도록 구성되어 있다.
상기 다수의 측면부 전원단자(28a, 28b)는 상기 상부 및 하부 판스프링(30a, 30b)의 탄성에 의해 상기 제1 및 제2 외부홀더(22, 24)의 내부에서 4방향 측면에 각각 밀착 지지되는 것으로서, 다수의 측면부 전원단자(28a, 28b)의 중앙은 단자홀(22b, 24b)을 통해 외부로 살짝 돌출되어 다수의 전지부모듈(20)들이 횡형 직렬과 병렬 및 직병렬로 맞닿을 때 접촉율을 높여주도록 구성되어 있다.
여기서, 상기 다수의 측면부 전원단자(28a)는 제1 외부홀더(22)의 4방향 측면에 대해 상단과 가깝게 동일한 높이에 위치되도록 사각형의 표면적 중앙에 양극(+)을 표시하는 것이 바람직하고, 상기 다수의 측면부 전원단자(28b)는 제2 외부홀더(24)의 4방향 측면에 대해 상단과 가깝게 동일한 높이에 위치되도록 삼각형의 표면적 중앙에 음극(-)을 표시하는 것이 바람직하다.
상기 상부 및 하부 판스프링(30a, 30b)은, 도 6a 및 도 6b와 같이 상기 배터리 셀(10)의 상하면을 향해 반원형상으로 오목하게 휘어지면서 4방향으로 90°간격을 두고 분할되는 열십자모양의 제1 단자 밀착판(32)과, 상기 단자 밀착판(32)의 4방향 끝단에 동일한 각도로 절곡되어 상기 배터리 셀(10)의 외주면에 끼워짐과 동시에 상기 측면부 전원단자(28a, 28b)에 각각 밀착되면서 바깥으로 밀어주도록 탄성을 가하는 다수의 제2 단자 밀착판(34)으로 구성되어 있다.
그리고, 상기 전지부모듈(20)에는 4방향 측면에 대하여 길이측 정중앙에 다수의 전지부모듈(20)들이 측면끼리 동일한 높이에서 서로 대응되게 결속되도록 자성체(36)가 각각 고정되거나 또는 요철부(38)가 각각 형성되어진다.
즉, 상기 자성체(36)는 도 7에 도시한 바와 같이 상기 제1 외부홀더(22)의 4방향 측면 하단에 동일한 높이로 압입 고정되도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 요철부(38)는 도 8에 도시한 바와 같이 상기 제1 외부홀더(22)의 4방향 측면 하단에 대해 직교되는 2면에 돌기(38a)와 나머지 직교되는 2면에 홈(38b)을 동일한 높이에 형성되도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 연결자모듈(40)은, 도 9a 및 도 9b에 도시한 바와 같이 상기 전지부모듈(20)의 2개를 합친 상부 또는 하부 평면적과 동일하도록 직사각 통형상으로 형성되면서 그 하면 좌우에 일정 간격을 두고 좌우 한 쌍의 관통홀(42a)이 형성된 절연재질의 연결몸체(42)와, 상기 연결몸체(42)의 내부에 상기 좌우 한 쌍의 관통홀(42a)의 안내를 받아 일정 높이로 상하 이동되면서 전지부모듈(20)의 2개에 대해 양극과 음극 또는 같은 극성끼리 스냅(snap)방식으로 끼워맞춤되는 좌우 한 쌍의 전원단자(44a, 44b)와, 상기 연결몸체(42)의 내부에 좌우 한 쌍의 전원단자(44a, 44b)의 상면들과 연결되어 하부로 동시 탄발력을 가하면서 서로 통전되도록 설치되는 반원형상의 판스프링(46)을 포함한다.
즉, 상기 연결몸체(42)의 일면에 대해 상기 좌우 한 쌍의 관통홀(42a)을 각각 사이에 두고 그 가장자리에는 상기 제1 및 제2 외부홀더(22, 24)에 각각 형성된 끼움홈(22d, 24d)과 대응되게 끼워맞춤에 의해 결합되도록 복수의 끼움돌기(42b)가 형성되어 있다.
상기 좌우 한 쌍의 전원단자(44a, 44b)는 상기 좌우 한 쌍의 관통홀(42a)에 끼워져 상하 이동될 때 상기 연결몸체(42)의 외부로 이탈되지 않으면서 상기 판스프링(46)의 탄성에 의해 일정 높이까지만 하강되어 전지부모듈(20) 중에서 음극(-)의 전원단자(26b)와 스냅(snap)방식으로 끼워맞춤에 의해 결합되도록 상단 둘레에 걸림턱(44c)이 형성되어 있다.
상기 거치모듈(50)은, 상기 1개씩 전지부모듈(20)의 상하부에 대하여 사용하지 않는 상부 전원단자(26a) 또는 하부 전원단자(26b) 중에서 외부 노출을 차단하도록 상부 및 하부 전원단자(26a, 26b)에 스냅(snap)방식으로 끼워맞춤되면서 제1 및 제2 외부홀더(22, 24)의 상하면측 끼움홈(22d, 24d)에 결합되는 상하부용 커버부재(52)와, 상기 전지부모듈(20)의 4방향 측면에 대하여 사용하지 않는 측면부 전원단자(28a, 28b)의 외부 노출을 차단하도록 결합되는 측면부용 커버부재(54)를 포함한다.
즉, 상기 상하부용 커버부재(52)는, 도 10에 도시한 바와 같이 상기 전지부모듈(20)의 상부 또는 하부 평면적과 동일하도록 사각 통형상으로 형성되면서 그 하면 중앙에 관통홀(52b)이 형성된 절연재질의 몸체(52a)와, 상기 몸체(52a)의 하면에 대해 상기 관통홀(52b)을 사이에 두고 그 가장자리에 상기 제1 및 제2 외부홀더(22, 24)에 각각 형성된 끼움홈(22d, 24d)과 선택적으로 대응되게 끼워맞춤에 의해 결합되는 끼움돌기(52c)와, 상기 몸체(52a)의 내부에 상기 관통홀(52b)의 안내를 받아 일정 높이로 상하 이동되면서 전지부모듈(20)의 상부 전원단자(26a) 또는 하부 전원단자(26b)와 스냅(snap)방식으로 끼워맞춤되는 전원단자(52d)와, 상기 몸체(52a)의 내부에 전원단자(52d)의 상면과 연결되어 하부로 탄발력을 가하도록 도체로 이루어진 반원형상의 판스프링(52e)을 포함한다.
이때, 상기 상하부용 커버부재(52)는 외부 케이블(미도시)과 상기 판스프링(52e)이 전기적으로 접속될 경우 상기 전지부모듈(20)의 출력부를 연결해 주는 양극과 음극 출력부나 회로부 구성 용도로 다양하게 활용할 수도 있다.
상기 측면부용 커버부재(54)는 도 7(d)에 도시한 바와 같이 절연재질의 얇은 판넬로 이루어진 것으로서, 그 정중앙 높이측 안쪽면에 상기 제1 외부홀더(22)의 4방향 측면 하단에 설치된 자성체(36)와 자력에 의해 탈부착되도록 자성체(54a)가 압입 고정되거나 또는 도 8(e)(f)에 도시한 바와 같이 그 정중앙 높이측 안쪽면에 상기 제1 외부홀더(22)의 4방향 측면 하단에 형성된 요철부(38)와 대응되게 끼워맞춤에 의해 탈부착되도록 돌기(54b) 또는 홈(54c)이 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 본 발명의 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체는 시중에 판매되는 규격화된 18650 등의 원통형 소용량 리튬이온 배터리 셀(10)을 사용자가 필요에 따라 전지부모듈(20)을 통해 1개씩 모듈화하도록 조립하거나 모듈화된 전지부모듈(20)로부터 배터리 셀(10)을 교체할 수 있다.
즉, 전지부모듈(20)은 제조단계에서 직사각 통형상의 제1 및 제2 외부홀더(22, 24)가 상하 분리 또는 결합되고, 제1 외부홀더(22)의 상면과 4방향 측면에 배치된 양극의 전원단자(26a, 28a)들이 제1 외부홀더(22)의 내부에서 상부 판스프링(30a)에 의해 동시 통전되도록 탄력적으로 밀착되며, 직사각 통형상의 제2 외부홀더(24)의 하면과 4방향 측면에 배치된 음극의 전원단자(26b, 28b)들이 제2 외부홀더(24)의 내부에서 하부 판스프링(30b)에 의해 동시 통전되도록 탄력적으로 밀착되는 구조이기 때문에 사용자가 규격화된 시중 배터리 셀(10)의 상부와 하부가 제1 외부홀더(22)와 제2 외부홀더(24)에 절반씩 수용되도록 삽입시킨 후 제1 외부홀더(22)의 하부 개구측 끼움단차면(22c)과 제2 외부홀더(24)의 상부 개구측 끼움단차면(24c)을 끼워맞춤에 의해 결합시키면, 배터리 셀(10)의 상하측 외주면이 상하부 판스프링(30a, 30b)의 둘레에 90°간격을 두고 뻗어있는 제2 단자 밀착판(34)들 사이로 삽입되면서 배터리 셀(10)의 상하면이 상하부 판스프링(30a, 30b)의 상하부와 탄력적으로 밀착됨으로써 도 5와 같은 외관구조와 도 6a 및 도 6b와 같은 단면구조에 의해 1개의 배터리 셀(10)에 대한 전지부모듈(20)의 조립이 완성된다.
이러한 전지부모듈(20)들의 조립 완료 상태에서 다양한 대용량의 에너지 저장장치의 요구에 맞도록 사용자가 직접 직렬과 병렬 및 직병렬로 조합할 수 있다. 즉, 다수의 전지부모듈(20)의 4방향 측면 중앙에 각각 배치된 자성체(36) 또는 돌기(38a)와 홈(38b)으로 이루어진 요철부(38)에 의해 전지부모듈(20)들을 도 11a 및 도 11b와 같은 종횡복합방식 직렬 및 횡형복합방식 직렬로 조합되도록 결속하거나 도 12a 및 도 12b와 같은 횡형 병렬 및 횡형복합방식 병렬로 조합되도록 결속할 수 있는 것이다.
이때, 다수의 전지부모듈(20)들이 측면끼리 결속될 때 전지부모듈(20)의 4방향 측면에 상하 일정 거리를 두고 각각 배치된 양극(+)의 측면부 전원단자(28a)와 음극(-)의 측면부 전원단자(28b)는 제1 외부홀더(22)와 제2 외부홀더(24)가 결합된 전지부모듈(20)의 길이측 중심에서 상하 높이가 어긋나도록 배치되기 때문에 다수의 전지부모듈(20)들을 측면끼리 밀착되도록 정방향과 역방향으로 교번되게 위치시켜 도 11a 및 도 11b와 같이 종횡복합방식 직렬 및 횡형복합방식 직렬로 연결할 경우 양극과 음극이 서로 엇갈리게 되어 안정성을 높여주게 되고, 다수의 전지부모듈(20)들을 측면끼리 밀착되도록 정방향 또는 역방향으로 모두 동일하게 위치시켜 도 12a 및 도 12b와 같이 횡형 병렬 및 횡형복합방식 병렬로 연결할 경우 양극들끼리 전기적으로 접속되어 확장성을 높여주게 된다.
또한 다수의 전지부모듈(20)들이 측면끼리 결속되면, 2개 1조가 되는 전지부모듈(20)의 상부 및 하부 전원단자(26a, 26b)를 연결자모듈(40)에 의해 접속되도록 결합하고, 마지막 끝단에 위치되는 전지부모듈(20)들의 최종 양극(+)과 음극(-)측 상부 및 하부 전원단자(26a, 26b)를 거치모듈(50)의 상하부용 커버부재(52)에 의해 접속되도록 결합한다.
즉, 연결자모듈(40)에 의해 도 9a와 같이 정방향으로 위치한 전지부모듈(20)의 상부 전원단자(26a)와 역방향으로 위치한 전지부모듈(20)의 하부 전원단자(26b) 또는 도 9b와 같이 정방향으로 모두 위치한 전지부모듈(20)들의 상부 전원단자(26a)와 하부 전원단자(26b)를 전기적으로 접속하기 위해서는, 먼저 2개의 전지부모듈(20)의 상부에 위치한 끼움홈(22d, 24d)을 향해 연결자모듈(40)측 연결몸체(42)의 하부에 형성된 좌우 한 쌍의 끼움돌기(42b)를 대응되게 끼우면, 이들 끼움홈(22d, 24d)과 끼움돌기(42b)가 서로 결합되면서 연결몸체(42)의 하부측 좌우 한 쌍의 전원단자(44a, 44b)가 판스프링(46)의 탄발력에 의해 전지부모듈(20)측 상부 전원단자(26a)의 양극(+)과 하부 전원단자(26b)의 음극(-)에 대해 다른 극성 또는 같은 극성끼리 전기적으로 접속되도록 끼워맞춤에 의해 자동 결합되게 된다.
이때, 좌우 한 쌍의 전원단자(44a, 44b)는 연결몸체(42)의 내부에서 좌우 한 쌍의 관통홀(42a)의 안내를 받아 상하 이동되려는 작용과 반원형상의 판스프링(46)에 의해 동시 눌려지면서 통전되는 구조이기 때문에 좌우 한 쌍의 전원단자(44a, 44b) 전지부모듈(20)의 양극(+) 상부 전원단자(26a)와 맞닿을 때 판스프링(46)의 누름압력을 받으면서 상승됨과 동시에 끼워맞춤에 의해 결합되고, 반대로 전지부모듈(20)의 음극(-) 하부 전원단자(26b)와 맞닿을 때 판스프링(46)의 누름압력을 받으면서 하강됨과 동시에 끼워맞춤에 의해 결합되어진다.
따라서, 본 발명의 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체는 규격화된 소용량 리튬이온 배터리 셀(10)을 1개씩 교체가능하도록 전지부모듈(20)의 내부에 수용하면서 그 전지부모듈(20)의 상면 및 4방향 측면에 양극의 전원단자(26a, 28a)와 하면 및 4방향 측면에 음극의 전원단자(26b, 28b)를 각각 배치하고, 이들 다수의 전지부모듈(20)을 연결자모듈(40)과 거치모듈(50)에 의해 다양한 대용량의 에너지 저장장치의 요구에 맞도록 사용자가 직접 직렬과 병렬 및 직병렬로 손 쉽게 연결하여 사용할 수 있는 구조이기 때문에 배터리 셀(10)을 수용하기 위한 새로운 신규 설계 및 금형 투자비에 소요되는 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 별도의 공구를 사용하지 않고 전지부모듈(20)들을 상하방향과 측면방향으로 다양하게 조합하여 필요한 설치공간에 빠르게 설치할 수 있으므로 산업성 및 안정성을 높일 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
10 : 배터리 셀 20 : 전지부모듈
22 : 제1 외부홀더 22a, 22b : 단자홀
22c : 끼움단차면 22d : 끼움홈
24 : 제2 외부홀더 24a, 24b : 단자홀
24c : 끼움단차면 24d : 끼움홈
26a : 상부 전원단자 26b : 하부 전원단자
28a, 28b : 측면부 전원단자 30a : 상부 판스프링
30b : 하부 판스프링 32 : 제1 단자 밀착판
34 : 제2 단자 밀착판 36 : 자성체
38 : 요철부 38a : 돌기
38b : 홈 40 : 연결자모듈
42 : 연결몸체 42a : 관통홀
42b : 끼움돌기 44a, 44b : 전원단자
44c : 걸림턱 46 : 판스프링
50 : 거치모듈 52 : 상하부용 커버부재
52a : 몸체 52b : 관통홀
52c : 끼움돌기 52d : 전원단자
52d : 판스프링 54 : 측면부용 커버부재
54a : 자성체 54b : 돌기
54c : 홈

Claims (15)

  1. 규격화된 소용량 리튬이온 배터리 셀(10)을 교체가능하게 1개씩 모듈화하여 사용자가 직접 직렬과 병렬 및 직병렬로 다중 연결하여 사용할 수 있도록 전지부모듈(20), 연결자모듈(40), 거치모듈(50)을 구성하되,
    상기 전지부모듈(20)은,
    상기 배터리 셀(10)의 상부 절반을 수용하도록 하부가 개구된 직사각 통형상으로 형성되면서 그 상면에 단자홀(22a) 및 4방향 측면에 단자홀(22b)이 형성된 절연재질의 제1 외부홀더(22)와,
    상기 배터리 셀(10)의 하부 절반을 수용하여 상기 제1 외부홀더(22)의 하부와 대응되게 결합되도록 상부가 개구된 직사각 통형상으로 형성되면서 그 하면에 단자홀(24a) 및 4방향 측면에 단자홀(24b)이 형성된 절연재질의 제2 외부홀더(24)와,
    상기 제1 및 제2 외부홀더(22, 24)의 내부를 통해 상면 및 하면에 각각 형성된 단자홀(22a, 24a)에 대응되게 위치되면서 중앙이 외부로 노출되는 상부 및 하부 전원단자(26a, 26b)와,
    상기 제1 외부홀더(22)의 내부를 통해 4방향 측면에 대해 상단과 가깝게 동일한 높이에 형성된 단자홀(22b)에 대응되게 각각 위치되면서 중앙이 외부로 노출되도록 사각형의 표면적 중앙에 양극(+)이 표시된 다수의 측면부 전원단자(28a)와,
    상기 제2 외부홀더(24)의 내부를 통해 4방향 측면에 대해 상단과 가깝게 동일한 높이에 형성된 단자홀(24b)에 대응되게 각각 위치되면서 상기 제1 외부홀더(22)와 제2 외부홀더(24)가 결합된 전지부모듈(20)의 길이측 중심에서 상하 높이가 어긋나게 중앙이 외부로 노출되도록 삼각형의 표면적 중앙에 음극(-)이 표시된 다수의 측면부 전원단자(28b)와,
    상기 제1 외부홀더(22)의 내부에 삽입되어 상기 배터리 셀(10)의 양극과 상기 상부 전원단자(26a)에 동시 탄력적으로 밀착됨과 동시에 배터리 셀(10)의 상부 외주면에서 상기 다수의 측면부 전원단자(28a)에 동시 탄력적으로 밀착되도록 도체로 이루어진 상부 판스프링(30a)과,
    상기 제2 외부홀더(24)의 내부에 삽입되어 상기 배터리 셀(10)의 음극과 상기 하부 전원단자(26b)에 동시 탄력적으로 밀착됨과 동시에 배터리 셀(10)의 하부 외주면에서 상기 다수의 측면부 전원단자(28b)에 동시 탄력적으로 밀착되도록 도체로 이루어진 하부 판스프링(30b)을 포함하고,
    상기 연결자모듈(40)은,
    상기 전지부모듈(20)의 2개를 합친 상부 또는 하부 평면적과 동일하도록 직사각 통형상으로 형성되면서 그 하면 좌우에 일정 간격을 두고 좌우 한 쌍의 관통홀(42a)이 형성된 절연재질의 연결몸체(42)와,
    상기 연결몸체(42)의 내부에 상기 좌우 한 쌍의 관통홀(42a)의 안내를 받아 일정 높이로 상하 이동되면서 전지부모듈(20)의 2개에 대해 양극과 음극 또는 같은 극성끼리 끼워맞춤되는 좌우 한 쌍의 전원단자(44a, 44b)와,
    상기 연결몸체(42)의 내부에 좌우 한 쌍의 전원단자(44a, 44b)의 상면들과 연결되어 하부로 동시 탄발력을 가하면서 서로 통전되도록 설치되는 반원형상의 판스프링(46)을 포함하며,
    상기 거치모듈(50)은,
    상기 전지부모듈(20)의 상하면에 결합되는 상하부용 커버부재(52)와,
    상기 전지부모듈(20)의 4방향 측면에 결합되는 측면부용 커버부재(54)를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 외부홀더(22)의 상면과 제2 외부홀더(24)의 하면에는 상기 연결자모듈(40) 또는 거치모듈(50)의 일측이 결합되도록 가장자리를 따라 끼움홈(22d, 24d)이 오목하게 형성된 것을 특징으로 하는 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 및 하부 판스프링(30a, 30b)은,
    상기 배터리 셀(10)의 상하면을 향해 반원형상으로 오목하게 휘어지면서 4방향으로 90°간격을 두고 분할되는 열십자모양의 제1 단자 밀착판(32)과,
    상기 단자 밀착판(32)의 4방향 끝단에 동일한 각도로 절곡되어 상기 배터리 셀(10)의 외주면에 끼워짐과 동시에 상기 측면부 전원단자(28a, 28b)에 각각 밀착되면서 바깥으로 밀어주도록 탄성을 가하는 다수의 제2 단자 밀착판(34)으로 구성된 것을 특징으로 하는 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지부모듈(20)의 4방향 측면에 대하여 길이측 정중앙에는 다수의 전지부모듈(20)들이 측면끼리 동일한 높이에서 서로 대응되게 결속되도록 자성체(36)가 각각 고정된 것을 특징으로 하는 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전지부모듈(20)의 4방향 측면에 대하여 길이측 정중앙에는 다수의 전지부모듈(20)들이 측면끼리 동일한 높이에서 서로 대응되게 결속되도록 요철부(38)가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 요철부(38)는,
    상기 전지부모듈(20)의 4방향 측면 중앙에 동일한 높이로 형성된 돌기(38a)와 홈(38b)으로 이루어진 것으로서,
    상기 돌기(38a)는 4방향 측면중에서 직교되는 2면에 형성되고,
    상기 홈(38b)은 4방향 측면중에서 나머지 직교되는 2면에 형성된 것을 특징으로 하는 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체.
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결몸체(42)의 가장자리에는 상기 전지부모듈(20)의 상하면에 형성된 끼움홈(22d, 24d)과 대응되게 결합되도록 복수의 끼움돌기(42b)가 형성된 것을 특징으로 하는 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체.
  11. 삭제
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 상하부용 커버부재(52)는,
    상기 전지부모듈(20)의 상부 또는 하부 평면적과 동일하도록 사각 통형상으로 형성되면서 그 하면 중앙에 관통홀(52b)이 형성된 절연재질의 몸체(52a)와,
    상기 몸체(52a)의 하면에 대해 상기 관통홀(52b)을 사이에 두고 가장자리에 상기 전지부모듈(20)의 상하면측 끼움홈(22d, 24d)과 선택적으로 대응되게 결합되는 끼움돌기(52c)와,
    상기 몸체(52a)의 내부에 상기 관통홀(52b)의 안내를 받아 일정 높이로 상하 이동되면서 전지부모듈(20)의 상부 전원단자(26a) 또는 하부 전원단자(26b)에 끼워맞춤되는 전원단자(52d)와,
    상기 몸체(52a)의 내부에 전원단자(52d)의 상면과 연결되어 하부로 탄발력을 가하는 도체의 판스프링(52e)을 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 판스프링(52e)은 외부 케이블과 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 측면부용 커버부재(54)의 정중앙 높이측 안쪽면에는 상기 전지부모듈(20)의 4방향 측면 중앙에 설치된 자성체(36)와 탈부착되도록 자성체(54a)가 압입 고정된 것을 특징으로 하는 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 측면부용 커버부재(54)의 정중앙 높이측 안쪽면에는 상기 전지부모듈(20)의 4방향 측면 중앙에 형성된 요철부(38)와 탈부착되도록 돌기(54b) 또는 홈(54c)이 형성된 것을 특징으로 하는 사용자 중심의 모듈형 배터리 조립체.
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