KR101922304B1 - 내구성이 우수한 배터리 팩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내구성이 우수한 배터리 팩을 개시한다.
본 발명에 따르는 내구성이 우수한 배터리 팩은 복수의 단위 배터리와, 상기 단위 배터리들의 전극단자들을 전기적으로 연결하는 버스바를 포함하는 배터리 팩에 있어서, 상기 버스바는 전극단자에 대향되어 접합되는 접합부를 구비하고, 상기 접합부는 버스바몸체로부터 이격되도록 완충다리부로 연결되며, 상기 버스바몸체에는 홀딩스페이서가 케이스부재와의 사이에 개재된 것을 특징으로 하는데, 이에 의할 때, 외부에 충격이나 반복되는 고진동은 물론, 수분에 의해 경시적으로 발생되는 접촉저항을 감소시켜, 배터리 팩의 내진동성 및 작동안정성을 보장할 수 있다.

Description

내구성이 우수한 배터리 팩{Battery package with improved durability}

발명은 내구성이 우수한 배터리 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부에 충격이나 반복되는 고진동은 물론, 수분에 의해 경시적으로 발생되는 접촉저항을 감소시켜, 배터리 팩의 내진동성 및 작동안정성을 보장하는 내구성이 우수한 배터리 팩에 관한 것이다.

비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있으며, 이러한 이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능하므로 화석연료의 대체에너지원으로서 전기자전거, 전기자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력저장장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.

특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 다수의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용될 수 있다.

리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.

리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.

액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용되며, 여기서, 원통형 이차 전지는 전극 조립체 및 전해액을 포함하는데, 전극 조립체는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 구비하고, 전해액은 리튬 이온을 포함하는 경우가 많으며, 전극 조립체의 양극판과 음극판은 외부로 인출되는 전극 탭을 각각 구비할 수 있다.

전극 조립체는 케이스의 내부에 수납되고, 케이스의 외부로는 전극 단자가 노출될 수 있다. 전극 탭은 전극 조립체의 외부로 인출되어 전극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다.

이러한 이차전지를 복수개 수평 또는 수직으로 적층되어 배터리 팩이 형성될 수 있는데, 배터리 팩에서 이웃하여 적층되는 이차 전지들은 전극 단자들이 전기적으로 상호 연결될 수 있고, 이웃하는 이차 전지들의 전극 단자들이 버스 바에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.

그런데, 이러한 버스바는 니켈, 구리 등을 함유하는 합금을 저항용접으로 접합하고, 특히 브릿지-버스바는 볼트결합을 이용하게 되는데, 배터리 팩이 장착된 디바이스, 특히 전기자동차의 경우에 다양한 도로면에 의한 충격이나 고진동으로 볼트결합이 느슨해지거나, 겨울철이나 여름철 눈이나 비의 수분에 의해 산화되어 해당부위에 접촉저항(contact resistance)이 발생되어 배터리 팩의 오작동을 유발하는 문제가 있어 왔다.

대한민국공개특허공보 제1020160129596호(2016.11.09) 대한민국공개특허공보 제1020120114494호(2012.10.17)

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 외부에 충격이나 반복되는 고진동은 물론, 수분에 의해 경시적으로 발생되는 접촉저항을 감소시켜, 배터리 팩의 내진동성 및 작동안정성을 보장하는 내구성이 우수한 배터리 팩을 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 복수의 단위 배터리와, 상기 단위 배터리들의 전극단자들을 전기적으로 연결하는 버스바를 포함하는 배터리 팩에 있어서, 상기 버스바는 전극단자에 대향되어 접합되는 접합부를 구비하고, 상기 접합부는 버스바몸체로부터 이격되도록 완충다리부로 연결되며, 상기 버스바몸체에는 홀딩스페이서가 케이스부재와의 사이에 개재된 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리 팩을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 버스바는 알루미늄재인 것일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 완충다리부는 단위배터리를 향하도록 경사진 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 완충다리부가 접합부와 이루는 경사각(θ)은 10°≤θ≤80°을 만족하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 완충다리부에는 적어도 하나의 굴곡부를 더 구비하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 완충다리부와 버스바몸체와 연결되는 부분이 절곡되어 형성된 제1굴곡부를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 완충다리부와 접합부와 연결되는 부분이 절곡되어 형성된 제2굴곡부를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 완충다리부는 복수개로 구비되는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 홀딩스페이서는 버스바몸체와 케이스부재와의 사이에 개재되는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 홀딩스페이서는 스페이서홀에 삽입되는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 홀딩스페이서는 고분자재로 성형된 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 단위배터리의 타전극단자에도 용접된 제2접합부를 구비한 제2버스바를 더 구비하는 것일 수 있다.

발명에 의하면, 외부에 충격이나 반복되는 고진동은 물론, 수분에 의해 경시적으로 발생되는 접촉저항을 감소시켜, 배터리 팩의 내진동성 및 작동안정성을 보장할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따르는 배터리 팩을 케이스부재로 마감한 상태를 사시적으로 보여주는 그림이고,
도 2는 도 1의 케이스부재의 상부케이스를 분리하여 내부의 배터리 팩을 보여주는 그림이며,
도 3은 도 2의 Ⅲ 부분을 사시적으로 보이며, 완충다리부, 접합부를 확대하여 보여주는 그림이고,
도 4는 본 발명의 상부케이스 분리하여 배터리 팩의 상부를 보여주고, 접합부, 완충다리부를 확대하여 나타낸 그림이며,
도 5는 본 발명의 단위배터리가 상하부홀더, 버스바에 조립된 형상을 측면적으로 보여주고, 단위배터리에 용접된 버스바를 확대하여 보는 주는 그림이고,
도 6은 도 5의 Ⅵ부분을 확대하여 보여주는 그림이며, 외력에 의하여 단위배터리가 진동하는 방향을 나타낸 그림이며,
도 7은 본 발명의 버스바에서 굴곡부들의 형상과 꺽인 정도를 표현하는 분리 확대도이고,
도 8은 본 발명의 배터리 팩을 구성요소별로 분리하여 나타낸 분리사시도이다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 하고, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

아울러, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는데, 예를 들어 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따르는 배터리 팩을 케이스부재로 마감한 상태를 사시적으로 보여주는 그림이고, 도 2는 도 1의 케이스부재의 상부케이스를 분리하여 내부의 배터리 팩을 보여주는 그림이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ 부분을 사시적으로 보이며, 완충다리부, 접합부를 확대하여 보여주는 그림이고, 도 4는 본 발명의 상부케이스 분리하여 배터리 팩의 상부를 보여주고, 접합부, 완충다리부를 확대하여 나타낸 그림이며, 도 5는 본 발명의 단위배터리가 상하부홀더, 버스바에 조립된 형상을 측면적으로 보여주고, 단위배터리에 용접된 버스바를 확대하여 보는 주는 그림이고, 도 6은 도 5의 Ⅵ부분을 확대하여 보여주는 그림이며, 외력에 의하여 단위배터리가 진동하는 방향을 나타낸 그림이며, 도 7은 본 발명의 버스바에서 굴곡부들의 형상과 꺽인 정도를 표현하는 분리 확대도이고, 도 8은 본 발명의 배터리 팩을 구성요소별로 분리하여 나타낸 분리사시도인데, 이를 참고하여 설명한다.

본 발명에 따르는 내진동성이 우수한 배터리 팩(100)은 복수의 단위배터리(200)와, 상기 단위 배터리들의 전극단자(210)들을 전기적으로 연결하는 버스바(300)를 포함하는 배터리 팩에 있어서, 상기 버스바(300)는 전극단자에 대향되어 접합되는 접합부(310)를 구비하고, 상기 접합부는 버스바몸체(320)로부터 이격되도록 완충다리부(312)로 연결되며, 상기 버스바몸체에는 홀딩스페이서(400)가 케이스부재(500)와의 사이에 개재된 것을 특징으로 한다.

상기 배터리 팩(100)의 외장을 감싸며 보호하는 케이스부재(500)가 상부케이스(510)와 하부케이스(520)를 포함하여 볼트, 너트와 같은 체결수단으로 조립되거나 분리될 수 있으며, 그 내부에 배터리 팩이 배치된다.

상기 배터리 팩(100)은 단위배터리(200)를 설계된 전압이나 전류값을 출력하도록 복수개로 배열하여 상부홀더(610)와 하부홀더(620)와의 사이에 개재시켜 고정하게 되는데, 상/하부홀더는 배열된 배터리는 고정할 수 있는 한 특별하게 재질을 한정할 것은 아니나, 단락이나 누전의 우려를 예방하기 위하여 플라스틱재로 사출하여 단위배터리(200)가 배열되어 사용중에 틀어지거나 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

상기 상/하부홀더(610, 620)는 배터리가 삽입되어 고정될 수 있게 배터리의 외형에 대응하는 형상으로 구비된 배터리안착부(640)를 구비하여 배터리를 안전하게 홀딩할 수 있는 구조적 특징을 가진다.

또한, 상기 상부홀더(610)로 개구된 노출홀(642)에는 배터리 전극단자가 노출되며, 그 부위에는 버스바몸체(320)로 부터 완충다리부(312)로 연결된 접합부(310)에 맞닿도록 접합부가 버스바몸체로부터 이격되어 구비되며, 상기 접합부의 크기는 노출홀 크기보다 작도록 구비될 수 있고, 또한 상기 배터리안착부는 단위배터리의 외형에 대응되는 형상이므로 상기 노출홀의 크기 외경은 배터리안착부의 내경보다 작도록 하여 배터리의 고정될 수 있다.

따라서, 상기 접합부(310)는 노출홀(642)로 노출된 배터리 전극단자(210)와 맞닿게 배치될 수 있고, 그 맞닿은 부분에 레이저용접을 행하여 전기적 통전이 가능하도록 할 수 있는데, 상기 버스바는 종래와는 달리 알루미늄(Al) 판재(plate)나 스트립(strip)을 구비하여 프레스 가공을 통하여 접합부, 완충다리부를 성형할 수 있는 가공성이 우수하며, 전기전도도 뿐만 아니라 경시적으로 발생할 수 있는 접촉저항 증가도 예방할 수 있다.

또한, 배터리 전극단자(210)를 구성하는 금속은 니켈이나 니켈합금의 경우가 많아 이와 알루미늄의 레이저용접은 이종금속간 용접이므로 펄스파레이저나 연속레이저를 빠른 시간내에 조사하여 높은 열에 의하여 이종금속의 계면을 녹이는 것이 요구될 수 있다.

아울러, 상기 접합부(310)는 단위배터리(200)와 접합되어 설계된 전류와 전압 인가의 통로가 될뿐만 아니라, 배터리 팩 전체에 가해지는 진동, 특히 이동수단의 에너지원으로 자동차나 전동차에 적용되는 경우에 운행시 발생되는 지속적인 진동에 의하여 접합부와 단위배터리의 전극단자와의 용접계면이 탈리가 발생하여 전력공급상 문제될 우려가 있으므로, 상기 접합부와 연결된 완충다리부(312)는 단위 배터리를 향하여 경사지도록 버스바몸체에서 연장될 수 있는 것이 바람직하다.

이러한 경사진 경사각(θ)는 외부에서 발생되는 진동에 의하여 배터리와 버스바몸체를 유동할 수 있도록 하여 외력을 분산시킴으로써 용접계면의 구조 손상을 방지하고자 하는 것인바, 진동은 수평방향(Dx), 수직방향(Dy) 성분으로 벡터적으로 가해지므로 10°≤θ≤80°일 수 있는데, 만일 10°미만이면, 진동의 수평방향 성분 외력에 대하여 진동폭이 작아 외력 분산의 효과가 미미할 수 있고, 반대로 80°를 초과하면, 진동의 수직방향 성분 외력에 대하여 진동폭이 작아 외력 분산의 효과가 미미할 수 있다.

더 나아가, 상기 완충다리부(312)에는 적어도 하나의 굴곡부를 더 구비할 수 있는데, 외력 분산을 위하여 흔들리게 위하여 힘점을 분산시키는 역할을 할 수 있으며, 버스바몸체(320)와 완충다리부(312)와 연결되는 부분을 꺽이도록 하는 제1굴곡부(312')나 접합부와 완충다리부가 연결되는 부분을 꺽이도록 하는 제2굴곡부(312")를 각각 구비하거나 동시에 구비할 수 있고, 이러한 굴곡부들(312', 312")은 일정곡률(R', R")을 갖도록 하는 것이 진동에 의한 분산을 유도하는데 도움이 될 수 있으며, 이러한 완충다리부는 복수개 배치하여 통전성과 지지성 그리고 외력 분산성을 확보할 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 버스바몸체(320)에는 홀딩스페이서(630)가 케이스부재(500)와의 사이에 개재될 수 있는데, 상기 홀딩스페이서(630)는 케이스와 누전되는 것을 방지하도록 플라스틱재나 고무재를 사용할 수 있고, 또한 케이스를 통하여 배터리 팩으로 전달되는 진동, 외력을 흡수하고 분산시켜 배터리 팩에 충격을 줄이는 기능도 할 수 있다.

또한, 상기 홀딩스페이서(630)는 버스바몸체에 형성된 스페이서홀(330)로 삽입되어 케이스와 닿게 되며 케이스에서 볼트와 같은 고정수단을 홀딩스페이서에 마련된 너트홀(미도시)과 결합시켜 고정할 수도 있는데, 이 경우는 상부홀더(610)를 사출할 때 미리 홀딩스페이서(630)를 스페이서홀(330)에 대향되는 위치에 배열함으로써, 별도의 공정이나 부품에 의하지 아니하고 일체로 조립할 수 있다.

한편, 상기 단위배터리의 전극단자를 중심으로 그 상부에 상부홀더를 결합시키고, 그 상부로 버스바의 접합부를 용접한 것과 마찬가지로, 단위배터리의 타전극단자쪽에서 끼워 결합되는 하부홀더(620), 하부홀더의 노출홀로 제2접합부를 용접하는 제2버스바를 더 구비할 수 있다.

상기 제2버스바(700)도 마찬가지로 제2버스바몸체(720), 제2접합부(710), 제2스페이스홀(730)을 가지며 그 상세한 설명은 앞서 설명한 버스바(300)의 버스바몸체(320), 접합부(310), 스페이서홀(330)과 같아 생략한다.

또한, 상기 하부홀더(620)도 마찬가지로 상부홀더(610)과 구성이 유사하여 그 설명으로 대체하며, 상기 제2스페이서홀(730)에 삽입되는 제2홀딩스페이서를 구비하는 경우에는 하부홀더를 사출할 때 미리 제2홀딩스페이서를 제2스페이서홀(330)에 대향되는 위치에 배열할 수 있다.

배터리 팩 100, 단위배터리 200,
전극단자 210, 버스바 300,
접합부 310, 완충다리부 312
제1굴곡부 312', 제2굴곡부 312",
버스바몸체 320, 스페이서홀 330,
홀딩스페이서 400, 케이스부재 500,
상부케이스 510, 하부케이스 520,
상부홀더 610, 하부홀더 620,
배터리안착부 640, 노출홀 642,
제2버스바 700, 제2버스바몸체 720,
제2접합부 710, 제2스페이스홀 730,
경사각 θ,
수평방향 Dx, 수직방향 Dy

Claims (12)

1. 복수의 단위 배터리와, 상기 단위 배터리들의 전극단자들을 전기적으로 연결하는 버스바를 포함하는 배터리 팩에 있어서,
   상기 버스바는 전극단자에 대향되어 접합되는 접합부를 구비하고, 상기 접합부는 버스바몸체로부터 이격되도록 완충다리부로 연결되며,
   상기 버스바몸체에는 홀딩스페이서가 케이스부재와의 사이에 개재되어 스페이서홀에 삽입되어 케이스와의 누전을 방지하고,
   상기 완충다리부는 단위배터리를 향하도록 경사져서, 상기 완충다리부가 접합부와 이루는 경사각(θ)을 진동의 수평방향 성분 외력, 진동의 수직방향 성분 외력에 대하여 진동폭을 확보하여 외력 분산을 하도록 10°≤θ≤80°으로 구비하고,
   상기 완충다리부에는 완충다리부와 버스바몸체와 연결되는 부분이 절곡되어 형성된 제1굴곡부와, 상기 완충다리부와 접합부와 연결되는 부분이 절곡되어 형성된 제2굴곡부를 포함하되, 상기 제1, 2굴곡부는 일정곡률을 구비하며,
   복수개의 완충다리부가 버스바몸체에서 접합부로 연장되어 수평방향과 수직방향의 진동을 분산하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리 팩.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 버스바는 알루미늄재인 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리 팩.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀딩스페이서는 고분자재로 성형된 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리 팩.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위배터리의 타전극단자에도 용접된 제2접합부를 구비한 제2버스바를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리 팩.

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