KR101919943B1 - 원통 전지용 배터리 팩 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원통 전지용 배터리 팩 구조에 관한 것으로, 4개의 소형 원통 배터리 셀이 나란하게 각각 삽입되도록 배터리 삽입홈이 형성되고 삽입홈의 원주를 따라 공기의 유동을 돕도록 내부에 다수개의 원형 슬롯이 구비된 제 1 외부프레임과 제 1 외부프레임과 동일한 형태로 원통형 배터리 셀의 반대편에서 셀의 반대 전극이 삽입되도록 배터리 삽입홈을 구비한 제 2 외부프레임, 볼트 결합을 위한 전극 단자가 각각 안착될 수 있도록 단자형태의 4개의 단자홈이 각각 구비되고, 상기 외부 프레임의 양쪽 끝단에 각각 위치하여 외부 프레임과 결속되는 한 쌍의 외부 프레임 커버, 상기 외부 프레임 커버의 하부에서 단자홈에 각각 삽입되고, 상기 외부 프레임과 각각 접촉하는 스프링을 통해 배터리 셀의 전원을 공급받기 위해 스프링과 결속되는 단자 볼트홈이 구비된 4개의 전극단자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이에 다수 개의 원통형 배터리 셀을 직렬과 병렬로 적층하기 용이한 구조를 제공하며, 조립과 분해가 용이하고, 진동 시에도 단자의 접촉 상태가 안정적으로 유지될 수 있고, 배터리 제품 사용 중에 극판과 단위 배터리 셀 자체에서 발생하는 열이 외부 프레임 사이에 공간을 통하여 방열이 용이하여 배터리로 인한 화재를 예방할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

원통 전지용 배터리 팩 구조{A Cell Case Structure for cylindrical battery Cells}
본 발명은 원통 전지용 배터리 팩 구조에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 구입하기가 용이한 소용량 원통형 리튬이온 배터리 셀을 직렬로 연결하여 전압을 높이고, 병렬로 연결하여 전류량을 증대하여 대용량 배터리 팩을 제작하기 용이한 구조를 갖는 원통 전지용 배터리 팩 구조에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 원통형 배터리를 조립하고 재차 분리가 용이한 대용량 배터리 팩을 제작할 수 있도록 플라스틱 소재의 결합 구조와 전류를 흐르게 하는 단자 및 스프링 그리고 케이스를 고정하는 볼트 등의 구성요소 및 형상, 구조를 가지는 원통 전지용 배터리 팩 구조에 관한 것이다.
현재 많은 곳에서 전기에너지를 저장하는 장치로 배터리를 사용하고 있으며, 1차 전지와 2차 전지 대부분은 원통형(Cylindrical), 각형(Prismatic), 파우치 (Pouch)의 형태를 가지고 있다. 재충전하여 사용이 가증한 2차 전지는 스마트폰, 노트북 등 휴대용 전자기기부터 배터리를 이용한 충전 가능한 전기차 등 광범위하게 사용되고 있으며, 최근에는 여러 개의 배터리 셀을 직/병렬로 연결하여 태양광, 풍력 등에서 만들어진 전기를 저장하여 사용하는 ESS(Energy Storage System) 등에도 사용되고 있다.
리튬전지는 장시간 수백, 수천회의 충전과 방전이 가능하므로 2차 전지 중에서 전동공구, 보조배터리, 핸드폰, 노트북 등 IT 기기에 많이 사용되고 있으며, 최근에는 전기자동차 및 태양광, 풍력등과 결합된 ESS용으로도 사용되고 있다. 특히 18650 리튬전지는 지름 18mm, 높이 65mm의 원통형 치수가 표준화 되어 있어 전 세계에서 가장 많이 일반적으로 생산되는 형태로 미국의 테슬러 자동차와 독일의 아우디 등에서 전기자동차 구동용으로 적용하고 있다.
원통형 배터리 셀을 직/병렬 형태로 연결하는 방법에는 배터리 셀의 양극과 음극 단자를 또 다른 외부의 연결판 (Bus Bar)를 이용하여 용접을 하는 경우가 대부분이다. 이때 병렬 연결(양극끼리 그리고 음극끼리의 연결)을 통해 전류 용량을 증가시킬 수 있으며, 직렬연결(양극과 또다른 전지의 음극을 연결)을 통해 전압을 올릴 수 있다. 주로 배터리셀의 양극과 음극과 동일한 소재인 니켈판을 이용하여 용접을 하는 경우가 대부분이다. 통상 사용되는 전기장치(휴대용에서 전기자동차용, ESS용)는 12V, 24V, 48V, 72V, 110V, 200V, 380V 등이므로 수 개에서 수 십 개의 직렬 연결이 필요하며, 사용되는 에너지량에 따라 수개에서 수백개, 수천개의 병렬 연결이 필요한 경우도 있다.
종래의 방법으로는 첨부된 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 배터리의 양극과 음극을 직렬과 병렬로 연결할 때 별도의 극판과 배터리 전극 사이를 순간적으로 전압을 가하는 점(Spot) 용접 또는 레이져 용접 등을 이용하여 연결하는 형태로 다수의 셀을 직렬과 병렬로 연결할 수 있다. 즉, 이 경우 전지의 (+) 극과 (+) 극, (-) 극과 (-) 극을 연결하여(병렬연결) 소형 배터리의 전류 용량을 원하는 양만큼 증가시킬 수 있다. 이를 한 개의 배터리 셀과 동일한 전압을 가지면서 전류 용량만 증가된 배터리 모듈이라고 부른다. 다수개의 배터리 셀이 병렬로 연결되어 전류용량이 증가된 하나의 배터리 모듈의 (+)극과 또 다른 하나의 배터리 모듈의 (-)극을 다수개 연결하면(직렬연결) 원하는 전압까지 올릴 수 있다.
예컨대 3.7V, 3Ah의 원통셀 다수개를 이용하여 4직렬 20병렬로 연결하면 14.4V 60Ah의 전지팩을, 7직렬 10병렬 연결하면 25.9V 30Ah의 전지 팩을 제작할 수 있다. 이런 방식으로 14직렬 30병렬인 경우 51.8V 990Ah 전지팩을, 20직렬 30병렬인 경우 74V 90Ah 전지 팩을 구성할 수 있다. 아울러 이를 더욱 확장하면 108직렬 10병렬인 경우 399V 30Ah, 전지팩을 제작할 수 있으며, 108직렬 50병렬인 경우 399V 150Ah, 즉 59.9kwh 용량의 배터리 팩을 제작할 수 있다.
그러나, 소용량 원통 셀 다수개를 직/병렬로 연결해서 사용하는 전지팩의 구조에서는 경우에 따라 수천 개를 직렬과 병렬로 연결될 수 있으며, 이런 경우 아래와 같은 몇 가지 문제를 해결해야 하는데, 이는 다수개의 배터리 셀을 Spot 용접을 통해 결합시키는 경우 진동으로 인한 접점 불량 또는 용접불량 등이 다수 발생하며, 이 경우 접점 불량 부위를 찾아내기도 어렵고, 찾아낸다고 하드래도 이를 교정하여 다시 Spot 용접을 통해 결합하는 작업은 전기적으로 쇼트 발생가능성과 대형 배터리 팩 자체의 고중량 등으로 매우 어려운 작업으로 각 원통 셀을 직/병렬로 연결할 때 직/병렬 체결 후 손쉽게 분리하는 방법을 해결해야 한다.
또한, 배터리 셀의 (+) 부와 (-) 부의 Spot 용접부는 저항체이므로, 전류가 흐를 때 열이 발생하고, 충전 및 방전시 배터리 자체에서 열이 발생하면서 수축 및 팽창을 하는데 Spot 용접 방식의 경우 배터리 셀이 밀집된 형태를 취하기 때문에 열을 방출할 통로가 없고 이로 인한 배터리 셀의 노화가 급속히 진행되는데, 즉, 충/방전시 셀에서 발생하는 열을 방열시키는 방안을 해결해야 하고, 하나의 셀이 부풀어 오를 때 밀집되어 있는 이웃한 셀이 압력을 받지 않도록 간격 유지해야 하고, 하나의 셀이 노화되어 온도가 상승시 이 셀을 교체가 어렵고, 셀 내부에서 (+)극과 (-)극이 연결되어 전지로서 기능을 못할 때, 셀 내부에서 쇼트상태를 유지하는 경우 이 셀과 병렬로 연결된 다른 셀의 전류가 쇼트 상태인 배터리 셀을 통해 전기에너지를 모두 소진하게 된다. 이 경우에도 기계적으로 Spot 용접 상태를 유지한 배터리 모듈이나 팩의 경우에는 하나의 배터리 셀을 교체할 수 있는 대책을 세울 수 없는데, 하나의 셀이 문제 발생시, 이웃한 셀에 문제가 전이되지 않도록 하는 방안의 모색이 필요하다.
기존의 체결 방식에서는 초음파 점 용점(Spot Welding)이나 레이저 용접을 통한 직/병렬 연결 구조로는 위의 문제를 해결할 수 없다. 즉, 배터리 셀의 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 되는 몇 개의 배터리 셀을 교체, 분리가 매우 어려워 사실상 배터리 팩의 부분 교체나 수리가 불가능하였다.
이로 인해 다수의 셀이 결합된 전체 배터리 팩의 수명이 이를 구성하고 있는 몇 개의 배터리 셀에서 노화 및 단자저항 증가 등으로 인한 수명 저하가 발생할 경우 배터리 팩을 구성하고 있는 나머지 정상적인 배터리 셀들은 그 수명을 다할 때까지 사용하지 못하고 가장 문제가 되는 셀과 같이 수명을 다하는 경우가 다수 발생하였다.
또한, 배터리 셀이 병렬로 연결된 경우에도 하나의 셀 내부에서 (+)와 (-)를 분리해주는 분리판이 손상될 경우 셀 하나 뿐만 아니라 하나의 셀과 병렬 연결된 배터리 모듈 전체가 (+)와 (-)가 연결되어 쇼트 상태가 발생하여 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀이 정상 작동하더라도 쇼트 상태에 있는 배터리 셀로 인해 나머지 병렬 연결된 전체 배터리 모듈에서 전기에너지를 소모하게 되어 정상적인 배터리도 사용할 수 없게 되는 문제점이 있다.
첨부된 도 1에 도시된 바와 같이 3.7V 2600mAH의 특성을 가진 리튬이온배터리 셀을 이용하여 22.2V 26AH의 배터리 팩을 제작하기 위해서는 6직렬 10병렬 (6S 10P)의 배터리팩으로 구성되는데, 기존의 방식을 이용하면, 도 1과 같이 10개의 리튬이온 배터리 셀을 일렬로 나열하여 (+)극은 (+)극끼리 별도의 극판에 점(spot) 형태로 용접하고 (-)극은 다른 10개의 (-)극으로 점(spot) 용접하여 이 모듈을 6개 직렬연결하는 방법이 사용되었다.
이때, 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 떼어내어 교체해야한다. 하지만 이 작업은 실제로는 가능하지 않으며, 의미있는 작업이 될 수 없다. 즉, 단위 셀의 (+)극 또는 (-)극을 연결한 연결판(BUSS Bar)을 단위셀의 (+), 또는 (-)극 과 분리해야 하는데 용접부의 분리가 용이하지 않으며, 연결판(Buss Bar)를 (+), (-) 극판과 분리시 배터리 셀의 극판이 손상되어 전체를 사용하지 못하는 문제점이 있다.
(+), 또는 (-) 극판이 손상되지 않드래도 작업도중에 셀 전극과 극판 사이의 단락에 의한 아크 발생으로 셀자체를 사용하지 못하는 경우가 다수 발생할 뿐만아니라 감전 사고, 화재 위험 등의 안전사고가 빈번히 발생하고 있다. 결과적으로 불량 배터리 셀을 교체하지 못함으로써 전체 배터리 팩의 성능이 저하되어 사용하지 못하는 경우가 다수 발생하고 있으며, 사용할 수 있다 하드래도 충전과 방전 횟수가 제한되어 장기간 사용이 불가능한 결과를 나타내고 있다.
1. 셀 홀더(Cell Holder) (특허출원번호 제10-2012-0011174호) 2. 2차 전지용 배터리팩(A BATTERY PACK FOR SECONDARY BATTERY) (특허출원번호 제10-2007-0002135호) 3. 배터리 팩 구조 (A battery Pack) (특허 등록 번호 제 10-1441900)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다수 개의 원통형 배터리 셀을 병렬과 직렬로 연결하기 용이한 구조로 구조로서, 단순 조립 작업을 통해 다수의 소용량 원통 셀을 직/병렬로 연결하여, 진동 시에도 단자의 접촉 상태가 안정적으로 유지되는 원통 전지용 배터리 팩 구조를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈 또는 그 하위 단계인 배터리 셀의 개별적 배터리에 문제 발생시 결합된 배터리 팩에서 배터리 모듈 또는 배터리 셀 케이스를 분리 또는 분해하여 낱개의 배터리 셀을 교체가 용이하고, 다수개의 배터리 셀이 직/병렬로 연결된 배터리 팩 구조에서 하나의 배터리 셀에 문제가 발생시 다른 배터리 셀에 이 문제가 전이되지 않고, 하나의 배터리만 사용 불가 상태를 유지할 수 있는 원통 전지용 배터리 팩 구조를 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 원통 전지용 배터리 팩 구조는, 4개의 소형 원통 배터리 셀이 나란하게 각각 삽입되도록 배터리 삽입홈이 형성되고 삽입홈의 원주를 따라 공기의 유동을 돕도록 내부에 다수개의 원형 슬롯이 구비된 제 1 외부프레임과 제 1 외부프레임과 동일한 형태로 원통형 배터리 셀의 반대편에서 셀의 반대 전극이 삽입되도록 배터리 삽입홈을 구비한 제 2 외부프레임, 볼트 결합을 위한 전극 단자가 각각 안착될 수 있도록 단자형태의 4개의 단자홈이 각각 구비되고, 상기 외부 프레임의 양쪽 끝단에 각각 위치하여 외부 프레임과 결속되는 한 쌍의 외부 프레임 커버, 상기 외부 프레임 커버의 하부에서 단자홈에 각각 삽입되고, 상기 외부 프레임과 각각 접촉하는 스프링을 통해 배터리 셀의 전원을 공급받기 위해 스프링과 결속되는 단자 볼트홈이 구비된 4개의 전극단자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통 전지용 배터리 팩 구조는 상기 외부프레임은 배터리 삽입홈 내부에 원주를 따라 공기의 유동을 돕도록 원형 라인을 따라 다수개의 원형 슬롯, 4개의 배터리 삽입홈의 중앙에 위치하여 중심부에 공기 유동 또는 냉각을 위해 형성된 중심홀, 각 외부프레임의 측면의 중심부에 슬롯 형상으로 각각 형성되어 다수개의 외부프레임이 결합이 가능하도록 구비된 4개의 제 1결합키 홈, 외부프레임 커버와 삽입 체결되어 고정되도록 외부프레임 상부에 위치한 4개의 돌출부, 상기 외부프레임과 외부프레임 커버가 체결에 따라 배터리 셀의 (+),(-) 극과 스프링 및 육각 단자가 결합된 상태를 확인할 수 있는 단자 홀이 구비되고, 외부 프레임과 일체로 구성되고 대각선 방향으로 사각형의 2개의 삽입가이드와 삽입가이드 끝 단에 일체로 형성되어 체결볼트가 삽입되는 체결홀이 형성된 가이드 바을 구비하고, 대각선 방향으로 상기 가이드 바가 각각 안착되고 체결홀을 통해 삽입되는 2개의 가이드 홈을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통 전지용 배터리 팩 구조는 상기 외부프레임 커버는 볼트 결합을 위한 전극 단자가 각각 안착될 수 있도록 단자형태의 4개의 단자홈이 각각 구비되고, 상기 외부 프레임의 양쪽 끝단에 각각 위치하여 외부 프레임과 결속되는 한 쌍의 외부 프레임 커버, 상기 외부프레임과 체결시 각 외부프레임의 4개의 제 1 결합키 홈과 대면되도록 외부프레임 커버의 측면의 중심부에 슬롯 형상으로 각각 형성되어 다수개의 프레임이 결합이 가능하도록 구비된 제 2 결합키 홈, 상기 외부프레임과 체결시 외부프레임의 중심홀과 대면되어 4개의 배터리 삽입홈의 안착된 배터리 셀의 중심부에 발생하는 열의 공기 유동 또는 냉각을 위한 공기 유동홀, 상기 외부프레임 커버와 상기 외부프레임이 결합되어 체결시 각각 고정나사를 위한 구멍 홀이 구비되고 고정나사가 구멍 홀에 삽입하여 체결시 전기적으로 접촉되지 않도록 외부프레임 커버 상에 돌출되는 보호 돌기부, 상기 외부프레임과 외부프레임 커버가 결합에 따라 배터리 셀의 (+),(-) 극성을 확인하며, 배터리 셀의 충전 및 방전시 발생하는 열의 방출을 위한 4개의 방열홈을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통 전지용 배터리 팩 구조는 상기 전극단자는 상기 외부프레임 커버 하부의 단자홈에 각각 독립적으로 안착되어 외부프레임 커버 상부에서 배터리 셀의 전원을 공급받기 위해 너트홈이 구비되고, 사각 플레이트와 너트의 체결구조를 갖거나, 육각봉, 팔각봉의 구조를 갖거나, 육각이 아닌 스플라인 형태의 봉을 가공하여 안쪽에 탭을 낸 형태로 선택적으로 적용할 수 있는 것을 특징으로 하는 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통 전지용 배터리 팩 구조는 상기 스프링은 청동/황동 소재를 주석 도금하여 단면이 사각의 납작한 형상을 가지고, 상기 전극단자의 볼트홈에 끼움방식으로 안착되어 외부프레임 및 외부프레임커버의 변형시에도 배터리 셀의 (+), (-) 극과 접촉을 통해 탄성을 유지하여 전류가 원활히 흐를 수 있도록 청동/황동 소재를 주석 도금하여 단면이 납작한 사각 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통 전지용 배터리 팩 구조는 상기 외부프레임을 다단으로 적층이 가능하도록 외부프레임의 제 1 결합키 홈와 대면되는 외부프레임 커버의 제 2결합키 홈 사이에 4개의 결합키를 각각 삽입하여 다수의 외부 프레임을 적층하여 기구의 견고성을 제공하고, 외부 프레임 커버의 각 단자홈을 통해 다수의 외부 프레임과 직.병렬 연결을 통해 원하는 전격 전압과 전원을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 원통 전지용 배터리 팩 구조는, 볼트 결속이 가능하도록 제작되어 있어 배터리 셀을 포함한 단위 모듈 조립이 용이하고, 배터리 셀을 직렬 또는 병렬로 연결할 때 (+), (-) 극에 별도의 부스바(니켈판)를 용접하지 않아 조립 제작 및 분해가 용이하여 배터리 팩의 효율적인 사용 및 관리가 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통 전지용 배터리 팩 구조는 다수개의 배터리 모듈이 결합된 배터리 팩에서 낱개의 배터리 셀에 문제가 발생시 문제가 되는 몇 개의 배터리 셀만 분해하여 교체하면 전체 배터리 패의 성능을 유지하여 계속 사용할 수 있어 적은 비용으로 배터리 팩의 성능을 효율적으로 유지하고 관리할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통 전지용 배터리 팩 구조는 Spot 용접이 아닌 조립 방식만으로 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결이 가능한 구조로서 단순한 면 접촉을 통해 전류가 흐르므로 저항이 증가하지 않고 분해 조립을 통한 유지 관리가 용이한 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통 전지용 배터리 팩 구조는 다수 개의 원통형 배터리 셀을 직렬과 병렬로 적층하기 용이한 구조를 제공하며, 조립과 분해가 용이하고, 진동 시에도 단자의 접촉 상태가 안정적으로 유지될 수 있고, 배터리 제품 사용 중에 극판과 단위 배터리 셀 자체에서 발생하는 열이 외부 프레임 사이에 공간을 통하여 방열이 용이하여 배터리로 인한 화재를 예방할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 원통 전지용 배터리 팩 구조는 제 1 외부 프레임과 제 2 외부 프레임의 (+), (-) 극성 부분에는 배터리 연결 시 극성이 확인 가능하도록 홈을 파 배터리 셀의 양극과 음극 단자 간 확인을 할 수 있어 배터리 간의 단락 연결을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예에 따른 원통 전지용 배터리 팩 구조는 음극단자 및 양극단자를 포함한 배터리 셀을 중심으로 제 1 외부프레임 및 제 2 외부 프레임을 제작하여 결합할 수 있고, 제 1 외부 프레임 및 제2 외부 프레임에는 양극 및 음극을 연결할 수 있는 단자와 스프링을 결합하여 각 외부프레임을 각각 제 1 외부프레임 및 제 2 외부 프레임에 결합함으로써 하나의 단위 모듈로 구성하여 필요에 따라 그 전격전원을 가변적으로 자유롭게 조정이 가능하여 사용상 편리성을 제공한다.
도 1은 종래의 방식인 Spot 용접을 통해 제작된 리튬이온 배터리팩 구조의 사시도.
도 2는 종래의 다른 실시예로서 리튬이온 배터리팩의 구조의 사시도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 팩 구조를 도시한 분해도.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 팩의 체결상태를 도시한 사시도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩 구조의 정면도.
도 6은 도 3에 따른 배터리 팩의 외부프레임의 구조를 단면도 및 사시도
도 7은 도 3에 따른 배터리 팩의 외부프레임 커버의 구조를 단면도 및 사시도
도 8은 도 3에 따른 배터리 팩 구조의 전극단자의 형태 및 조립구조를 도시한 사시도
도 9는 도 3에 따른 배터리 팩 구조의 스프링의 형태를 도시한 사시도
도 10은 도 3에 따른 배터리 팩 구조의 고정 나사의 형태를 도시한 사시도
도 11은 본 발명에 따른 외부 프레임간 결합에 이용한 결합키의 사시도
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩 구조 결합키를 사용하여 다수개의 배터리 모듈을 결합시킨 구조를 도시한 사시도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
첨부된 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 원통 전지용 배터리 팩 구조를 살펴보면, 본 발명의 배터리 팩 구조는 크게 외부프레임(100a,100b), 외부프레임 커버(200), 전극단자(300) 및 스프링(400)으로 구성되는데, 상기 외부 프레임은 서로 체결구조를 갖는 제 1 외부프레임(100a) 및 제 2 외부프레임(100b)로 구성된다. 제 1 외부프레임(100a)은 4개의 소형 원통 배터리 셀(700)이 나란하게 각각 삽입되도록 배터리 삽입홈(110)이 형성되고 삽입홈(110)의 원주를 따라 공기의 유동을 돕도록 내부에 다수개의 원형 슬롯(111)이 구비되고, 제 2 외부프레임(100b)은 제 1 외부프레임(100a)과 제 1 외부프레임(100a)과 동일한 형태로 원통형 배터리 셀(700)의 반대편에서 셀의 반대 전극이 삽입되도록 배터리 삽입홈이 구비되어 제 1 외부프레임(100a)과 체결된다.
상기 외부프레임 커버(200a,200b)는 각각 볼트 결합을 위해 커버 하부에 전극단자(300)가 안착되는 단자형태의 4개의 단자홈(210)이 각각 구비되고, 상기 제 1 외부 프레임(100a)의 끝단에 위치하여 제 1 외부 프레임(100a)과 결속되는 제 1 외부 프레임 커버(200a), 제 2 외부 프레임(100b)의 끝단에 위치하여 제 2 외부 프레임(100b)과 결속되는 제 2 외부 프레임 커버(200b)가 형성된다.
상기 전극단자(300)는 각각 4개의 단자로 구성되고, 외부프레임 커버(200a,200b)의 하부에서 단자홈(210)에 각각 삽입되고, 상기 외부 프레임(100a,100b)와 각각 접촉하는 스프링(400)을 통해 배터리 셀(700)의 전원을 공급받기 위해 스프링(400)과 결속되는 단자 볼트홈(310)이 구비된다.
첨부된 도 6은 외부프레임(100)의 단면도 및 사시도를 도시한 것으로, 첨부된 도 3 내지 도 6을 참조하여 외부프레임(100)의 세부구성 및 동작을 살펴보면, 외부프레임(100)은 제 1 외부프레임(100a) 및 제 2 외부프레임(100b)이 체결되는 것으로 그 구조는 서로 대응되도록 형성되는데, 먼저, 형성된 배터리 삽입홈(110)의 원주를 따라 공기의 유동을 돕도록 내부에 다수개의 원형 슬롯(111)이 형성되는데, 이때, 원형 슬롯은 6개 또는 8개로 구비된다.
4개의 배터리 삽입홈(110)의 중앙에 위치하여 삽입된 배터리 셀(700)의 동작에 따라 중심부에 발생되는 공기 유동 또는 냉각을 위해 중심홀(120a,120b)이 형성되고, 각 외부 프레임(100a,100b)과 일체로 구성되어 삽입가이드(131a,131b)가 대각선 방향으로 사각형의 2개가 부설되고, 삽입가이드(131a,131b) 끝 단에 일체로 형성되어 체결볼트가 삽입되는 체결홀(132a,132b)이 형성된 가이드 바(130a 130b)을 구비하고, 대각선 방향으로 상기 가이드 바(130a,130b)가 각각 안착되고 체결홀(132a,132b)을 통해 삽입되는 2개의 가이드 홈(133a,133b)이 구비된다.
즉, 상기 제 1 외부프레임의 가이드 바의 체결홀과 제 2 외부프레임의 가이드 홈이 각각 체결되도록 구성된다.
또한, 각 외부프레임의 측면의 중심부에 슬롯 형상으로 다수개의 외부 프레임이 결합이 가능하도록 각각 4개의 제 1결합키 홈(136,137,138,139)이 구비되고, 외부프레임(100a,100b) 상부에 위치한 4개의 돌출부(145,146,147,148)가 형성되어 외부프레임 커버(200a, 200b)와 삽입 체결되어 고정된다.
상기 외부프레임(100a,100b)와 외부프레임 커버(200a, 200b)가 체결에 따라 배터리 셀(700)의 (+),(-) 극과 스프링(400) 및 육각 단자가 결합된 상태를 확인할 수 있는 단자 홀(140)이 형성된다.
첨부된 도 7은 외부프레임 커버(110)의 단면도 및 사시도를 도시한 것으로, 첨부된 도 3 내지 도 7을 참조하여 외부프레임 커버(110)의 세부구성 및 동작을 살펴보면, 상기 외부 프레임 커버(200a, 200b)는 외부 프레임(100a, 100b)의 양쪽 끝단에 각각 위치하여 외부 프레임과 결속되는 것으로, 볼트 결합을 위한 전극 단자(300)가 각각 안착될 수 있도록 단자형태의 4개의 단자홈(210a,210b)이 각각 구비된다. 즉 제 1 외부프레임 커버(200a)의 4개의 단자홈(211a,212a,213a,214a)와 제 2 외부 프레임 커버(200b)의 4개의 단자홈(211b,212b,213b,214b)으로 구성된다.
상기 외부프레임(100a,100b)과 체결시 각 외부프레임의 4개의 제 1 결합키 홈(136,137,138,139)과 대면되도록 외부프레임 커버의 측면의 중심부에 슬롯 형상으로 각각 형성되어 다수개의 프레임이 결합이 가능하도록 구비된 제 2 결합키 홈(211,212,213,214)이 구비되고, 상기 외부프레임(100a,100b)과 체결시 외부프레임의 중심홀(120a,120b)과 대면되어 4개의 배터리 삽입홈(110)의 안착된 배터리 셀(700)의 중심부에 발생하는 열의 공기 유동 또는 냉각을 위한 공기 유동홀(220a,220b)이 형성되고, 상기 외부프레임 커버(200a,200b)과 상기 외부프레임(100a,100b)이 결합되어 체결시 각각 고정나사를 위한 구멍 홀이 구비되고 고정나사가 구멍 홀에 삽입하여 체결시 전기적으로 접촉되지 않도록 외부프레임 커버(200a,200b) 상에 돌출되는 보호 돌기부(230)가 구비된다.
또한, 상기 외부프레임(100a,100b)과 외부프레임 커버(200a, 200b)의 결합에 따라 배터리 셀(700)의 (+),(-) 극성을 확인과, 배터리 셀(700)의 충전 및 방전시 발생하는 열의 방출을 위한 4개의 방열홈(240)이 구비된다.
또한, 상기 전극단자(300)는 상기 외부프레임 커버(200a,200b) 하부의 단자홈(210)에 각각 독립적으로 안착되어 외부프레임 커버(200a,200b) 상부에서 배터리 셀(700)의 전원을 공급받기 위해 너트홈이 구비된다.
한편, 상기 전극단자는 첨부된 도 8에 도시된 바와 같이 사각 플레이트와 너트의 체결구조를 갖거나, 육각봉, 팔각봉의 구조를 갖거나, 육각이 아닌 스플라인 형태의 봉을 가공하여 안쪽에 탭을 낸 형태로 선택적으로 적용할 수 있다.
또한, 상기 전극단자(300)는 내부에 나사 체결을 위한 탭이 구비되고, 전기전도도가 높은 구리 합금 소재를 형성되며, 부식을 방지하기 위하여 주석 또는 니켈 등으로 도금되어 있다. 상기 제 1 외부프레임 커버(200a) 및 제 2 외부프레임 커버(200b)에 4개의 배터리 셀(700)이 결합하여 배터리 셀(700)의 (+)극과 (-)극에 각각 4개의 스프링(400)을 통해 전류가 흐르는 통로를 제공한다. 아울러 외부 프레임 커버의 홀을 통해 배터리 셀 이면까지 연결되어 바깥에서 볼트 체결을 통해 전류가 흐르는 통로를 제공한다.
첨부된 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 상기 스프링(400)은 청동/황동 소재를 주석 도금하여 단면이 사각의 납작한 형상을 가지고, 상기 전극단자(300)의 볼트홈(310)에 끼움방식으로 안착되어 외부프레임(100a,100b) 및 외부프레임 커버(200a,200b)의 변형시에도 배터리 셀의 (+), (-) 극과 접촉을 통해 탄성을 유지하여 전류가 원활히 흐를 수 있도록 청동/황동 소재를 주석 도금하여 단면이 납작한 사각 형태를 가지도록 구성된다.
또한, 본 발명은 제 1 외부프레임(100a)과 제 2 외부프레임(100b)이 제 1 외부프레임 커버(200a) 및 제 2 외부프레임 커버(200b)와 각각 결합되고 체결되는 것으로, 제 1 외부프레임(100a)의 가이드 바(130a)의 체결홀(132a)이 체결홈(132a)가 결합된 후, 고정나사(500)를 통해 제 1외부프레임(100a) 및 제 1 외부프레임 커버(200a), 그리고 제 2외부 프레임(100b) 및 제 2 외부프레임 커버(200b)가 별도의 너트없이 플라스틱 소재를 파고들면서 강하게 결속되게 된다.
상기 고정나사(500)는 첨부된 도 10과 형성되며, 총 8개의 고정나사를 통해 외부프레임과 외부프레임 커버가 결속된다.
한편, 상기의 구성에 따라 고정나사(500)를 통해 조립된 후 보호돌기부(230)에 의해 전원연결을 위해 부스바등 외부에서 추가적인 작업을 할 때 전기적으로 접촉되지 않지 보호가 된다.
또한, 본 발명은 첨부된 도 11에 도시된 결합키(600)을 이용하여 다수의 외부 프레임을 연결할 수 있는데, 상기 외부프레임(100a,100b)을 다단으로 적층이 가능하도록 외부프레임의 제 1 결합키 홈(136,137,138,139)와 대면되는 외부프레임 커버(200a,200b)의 제 2결합키 홈(211,212,213,214) 사이에 4개의 결합키(601,602,603,604)를 각각 삽입하여 다수의 외부 프레임(100a,100b)을 적층하여 기구의 견고성을 제공하고, 외부 프레임 커버(200a,200b)의 각 단자홈(210)을 통해 첨부된 도 12와 같이 다수의 외부 프레임(100a,100b)과 직.병렬 연결을 통해 원하는 전격 전압과 전원을 제공한다.
또한, 첨부된 도 6 및 도 7에서 제시된 바와 같이 상기 외부 프레임(100a, 100b) 및 상기 외부프레임 커버(200a, 200b)는 체결될 때 사각형 중심 가장 자리에 외부 프레임의 제 1결합키 홈(136,137,138,139)와 외부프레임 커버의 제 2 결합키 홈(211,212,213,214)가 구비된 결합키 홈이 형성되는데, 상기 결합키 홈에 결합키(600)를 삽입하여 다수의 배터리 모듈(1000)을 적층하여 견고한 배터리 팩을 완성할 수 있다.
또한, 본 발명의 배터리 팩 구조는 제 1 외부 프레임(100a)과 제 2 외부 프레임(100b)의 끝단에 배터리 연결 시 극성이 확인 가능하도록 단자 슬롯(140)을 통해 배터리 셀의 양극과 음극의 상태를 확인하며 배터리 셀의 극성 변화 여부를 확인할 수 있다.
외부의 결합키 홈은 외부프레임와 외부프레임가 결합하여 완전한 단위 모듈의 구조를 가진 다음 다수의 단위 모듈을 연결하여 필요한 전압과 용량을 만들시 단위 모듈 상호간에 고정할 수 있는 결합키(600)가 들어갈 수 있는 홈이 있다.
4S 4P의 구조의 배터리 팩을 예를 들면 8개의 배터리 팩이 +극은 +극끼리 -극은 -극끼리 연결되어야 하므로 3개의 배터리 셀이 들어있는 단위 모듈 두 개와 2개의 배터리 셀이 들어있는 단위 모듈 한 개를 상기 외부프레임의 부스바 연결 홈에 볼트로 연결함으로써 병렬 연결이 가능하다.
그리고 상기 외부프레임(100a, 100b)와 외부프레임 커버(200a,200b)는 동일한 외곽 형상을 갖는데 사각의 중심부에 동일하게 다수의 단위 모듈을 연결하도록 결합키 홈이 형성되는데, 결합키 홈의 형상에 맞게 결합키(600)를 넣음으로써 기구적 견고성을 가지게 되어 단위 모듈 간의 움직임을 방지할 수 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 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100a : 제 1 외부프레임 100b : 제 2 외부프레임
110 : 삽입홈 111 : 원형 슬롯
120a, 120b : 중심홀
130a, 130b : 가이드 바
131a, 131b : 삽입 가이드
132a, 132b : 체결 홀
133a, 133b : 삽입 가이드 홈
136, 137, 138, 139 : 제 1 결합키 홈
140 : 단자 슬롯
145, 146, 147, 148 : 돌출부
200a : 제1 외부프레임 커버 200b : 제 2 외부프레임 커버
210a, 210b : 단자홈
211, 212, 213, 214 : 제 2 결합키 훔
220a, 220b : 공기유동 홀
230 : 보호돌기부
240 : 방열홈
300 : 전극단자
400 : 스프링
500 : 고정 나사
600 : 결합 키
700 : 배터리 셀
1000 : 배터리 모듈

Claims (7)

  1. 4개의 소형 원통 배터리 셀(700)이 나란하게 각각 삽입되도록 배터리 삽입홈(110)이 형성된 제 1 외부프레임(100a)과 제 1 외부프레임(100a)과 동일한 형태로 원통형 배터리 셀(700)의 반대편에서 셀의 반대 전극이 삽입되도록 배터리 삽입홈을 구비한 제 2 외부프레임(100b), 상기 외부 프레임(100a, 100b)의 양쪽 끝단에 각각 위치하여 외부 프레임과 결속되는 한 쌍의 외부 프레임 커버(200a, 200b), 상기 외부 프레임 커버(200a,200b)의 하부에서 단자홈(210)에 각각 삽입되고, 상기 외부 프레임(100a,100b)와 각각 접촉하는 스프링(400)을 통해 배터리 셀(700)의 전원을 공급받기 위해 스프링(400)과 결속되도록 단자 볼트홈(310)이 구비된 4개의 전극단자(300)를 포함하고, 상기 외부프레임(100a,100b)은 4개의 배터리 삽입홈(110)의 중앙에 위치하여 중심부에 공기 유동 또는 냉각을 위해 형성된 중심홀(120a,120b), 외부프레임의 측면의 중심부에 슬롯 형상으로 각각 형성되어 다수개의 외부프레임과 결합되도록 구비된 4개의 제 1결합키 홈(136,137,138,139), 외부프레임(100a,100b)과 외부프레임 커버(200a, 200b)가 체결에 따라 배터리 셀(700)의 (+), (-) 극, 스프링(400) 및 육각 단자가 결합된 상태를 확인할 수 있는 단자 홀(140)이 더 구비되고, 상기 외부프레임 커버(200a,200b)는 외부 프레임(100a, 100b)의 양쪽 끝단에 각각 위치하여 외부 프레임과 체결되고 상기 외부프레임(100a,100b)과 체결시 각 외부프레임의 4개의 제 1 결합키 홈(136,137,138,139)과 대면되도록 외부프레임 커버의 측면의 중심부에 슬롯 형상으로 각각 형성되어 다수개의 프레임이 결합되도록 구비된 제 2 결합키 홈(211,212,213,214), 상기 외부프레임(100a,100b)과 외부프레임 커버(200a,200b)가 체결에 따라 배터리 셀(700)의 (+), (-) 극성을 확인하며, 배터리 셀(700)의 충전 및 방전시 발생하는 열 방출을 위한 4개의 방열홈(240)을 더 포함하여 구성되는 원통 전지용 배터리 팩 구조에 있어서,
    상기 외부프레임(100a,100b)은
    배터리 삽입홈(110) 내부에 원주를 따라 공기의 유동을 돕도록 원형 라인을 따라 형성된 다수개의 원형 슬롯(111), 외부프레임 커버(200a, 200b)와 삽입 체결되어 고정되도록 외부프레임(100a,100b) 상부에 위치한 4개의 돌출부(145,146,147,148), 외부 프레임과 일체로 구성되고 대각선 방향으로 사각형의 2개의 삽입가이드(131a,131b)와 삽입가이드 끝 단에 일체로 형성되어 체결볼트가 삽입되도록 체결홀(132a,132b)이 형성된 가이드 바(130a 130b)을 구비하고, 대각선 방향으로 상기 가이드 바(130a,130b)가 각각 안착되고 체결홀(132a,132b)을 통해 삽입되는 2개의 가이드 홈(133a,133b)이 구비되고,
    상기 외부프레임 커버(200a,200b)는
    볼트 결합을 위한 전극 단자(300)가 각각 안착될 수 있도록 단자형태의 4개의 단자홈(210a,210b)이 각각 구비되고, 상기 외부프레임(100a,100b)과 체결시 외부프레임의 중심홀(120a,120b)과 대면되어 4개의 배터리 삽입홈(110)의 안착된 배터리 셀(700)의 중심부에 발생하는 열의 공기 유동 또는 냉각을 위한 공기 유동홀(220a,220b), 상기 외부프레임(100a,100b)과 체결을 고정나사가 삽입되는 구멍 홀이 구비되고, 고정나사가 구멍 홀에 삽입하여 체결시 전기적으로 접촉되지 않도록 외부프레임 커버(200a,200b) 상에 돌출되는 보호 돌기부(230)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원통 전지용 배터리 팩 구조.
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