KR102427332B1 - 에너지 저장 장치 - Google Patents

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Abstract

접촉 저항이 감소되고 방열 효율이 좋으며 무게를 감소시킨 에너지 저장 장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 에너지 저장 장치는, 복수의 미패키징 상태의 베어 셀; 상기 복수의 미패키징 상태의 베어 셀 각각의 외측면에 대응하는 형상을 갖고 상기 베어 셀이 삽입될 수 있도록 길이 방향으로 일 측면이 개방되어 복수의 수용부를 구비하는 제 1 케이스 블록; 상기 제 1 케이스 블록의 상기 복수의 수용부 각각에 대응하는 형상으로 구성되고 상기 제 1 케이스 블록의 상기 베어 셀이 삽입되어 있는 상기 복수의 수용부 각각의 상기 개방되어 있는 상기 일 측면으로 삽입되어 결합되는 복수의 제 2 케이스 블록; 및 상기 제 1 케이스 블록에 배치되어 상기 복수의 미패키징 상태의 베어 셀과 직접 연결되고 상기 복수의 미패키징 상태의 베어 셀을 직렬로 연결하는 부스바를 포함한다.

Description

에너지 저장 장치{ENERGY STORAGE APPARATUS}
본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 울트라 커패시터 등의 고 정전용량의 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
현재 전기 에너지를 저장하기 위해 사용되는 대표적인 에너지 저장 소자로는 배터리(battery)와 커패시터(capacitor) 등이 있다. 특히, 고 정전용량 저장 장치로는 커패시터의 일종인 울트라 커패시터(Ultra Capacitor; UC), 슈퍼 커패시터(Super Capacitor; SC), 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC) 등이 있으며, 이는 전해콘덴서와 이차전지의 중간적 특성을 지니고, 높은 효율과 반영구적인 수명 특성으로 인해 이차전지와의 병용 및 대용이 가능하다.
그러나, 이러한 고 정전용량 저장 장치도 단위 셀의 전압이 3[V] 정도에 불과하므로, 이를 고전압용 전지로 사용하기 위해서는 수천 패럿(farad) 또는 수백 전압이 되도록 모듈(module)화할 필요가 있다. 즉, 이런 모듈화를 실현하기 위해서는 각각의 단위 고 정전용량 저장 장치를 필요한 수량만큼 직렬 또는 직·병렬 연결하여 고전압용 어셈블리를 구성해야 한다. 대표적으로, 등록특허 제10-1205331호를 들 수 있다.
등록특허 제10-1205331호는, 베어 셀(bare cell)을 셀 케이스에 팩킹(packing)하여 단위 에너지 저장 셀을 구성한 후, 각각의 단위 에너지 저장 셀들을 연결하고 다시 외부 케이스에 수용하여 모듈화한다. 구체적으로, 도 1은 등록특허 제10-1205331호에 개시된 에너지 저장 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 에너지 저장 장치는, 다수의 단위 에너지 저장 셀(111)이 전기적으로 연결되어 집합된 에너지 저장 셀 어레이(110)와, 상기 에너지 저장 셀 어레이(110)가 수납되는 케이스 본체(120)와, 상기 케이스 본체(120)의 하부와 상부의 개방부에 결합되는 상부 및 하부 커버(131, 132)를 포함하고, 상기 에너지 저장 셀 어레이(110)를 상기 케이스 본체(120) 내부에 수납한 상태에서, 케이스 본체(120)의 개방부에 상기 상부 및 하부 커버(131, 132)를 결합함으로써 구현된다.
상기 에너지 저장 셀 어레이(110)의 각 단위 에너지 저장 셀(111)은, 양극 전극, 음극 전극, 분리막 및 전해질로 구성된 베어 셀이 별도의 셀 케이스에 수납되어 있고, 그 양단부에 외부로 돌출된 양극 및 음극 외부 터미널(111a, 111b)이 형성되어 있으며, 상기 양극 및 음극 외부 터미널(111a, 111b)은 그 외주면에 나사선이 형성된 볼트 형태로 형성된다. 상기 에너지 저장 셀 어레이(110)는, 각 단위 에너지 저장 셀(111)의 상기 외부 터미널(111a, 111b)에 연결되는 부스바(140)와, 상기 외부 터미널(111a, 111b)과 상기 부스바(140)를 체결하는 너트(150)에 의해 각 단위 에너지 저장 셀(111)들이 서로 전기적으로 연결된다.
이와 같이 종래의 에너지 저장 장치는, 각 단위 에너지 저장 셀(111)마다 개별적으로 셀 케이스로 패키징을 한 후 부스바(140)를 통해 에너지 저장 셀(111)들을 전기적으로 연결함으로써, 접촉 저항이 증가하여 효율이 저하되고, 또한 방열 효율이 저하된다. 그리고 각 단위 에너지 저장 셀(111)마다 셀 케이스로 패키징을 하면서도 추가로 에너지 저장 셀 어레이(110)를 모듈 케이스(120, 131, 132)에 수납함으로써 에너지 저장 장치의 무게가 증가하고 방열 효율이 더욱 안 좋아지는 문제점이 있다.
등록특허 제10-1205331호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 접촉 저항이 감소되고 방열 효율이 좋으며 무게를 감소시킨 에너지 저장 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 에너지 저장 장치는, 복수의 베어 셀; 상기 복수의 베어 셀 각각의 외측면에 대응하는 형상을 복수의 베어 셀; 상기 복수의 베어 셀 각각의 외측면에 대응하는 형상을 갖고 상기 베어 셀이 삽입될 수 있도록 길이 방향으로 일 측면이 개방되어 복수의 수용부를 구비하는 제 1 케이스 블록; 상기 제 1 케이스 블록의 상기 복수의 수용부 각각에 대응하는 형상으로 구성되고 상기 제 1 케이스 블록의 상기 베어 셀이 삽입되어 있는 상기 복수의 수용부 각각의 상기 개방되어 있는 상기 일 측면으로 삽입되어 결합되는 복수의 제 2 케이스 블록; 및 상기 제 1 케이스 블록에 배치되어 상기 복수의 베어 셀을 직렬로 연결하는 부스바를 포함한다.
상기 부스바는, 상기 베어 셀의 전극에 연결되는 접속부와 그 접속부에서 수직 절곡된 단자부를 포함하고 상기 복수의 수용부의 양 끝에 설치되는 두 개의 제 1 부스바; 및 인접한 두 개의 베어 셀의 전극과 접속하는 두 개의 접속부와 그 두 개의 접속부를 연결하며 상기 두 개의 접속부에서 수직 절곡된 연결부를 포함하는 제 2 부스바를 포함할 수 있다.
상기 제 1 부스바의 상기 단자부는 상기 제 1 케이스 블록의 외부로 돌출되고, 상기 제 2 부스바의 상기 연결부는 상기 제 1 케이스 블록의 내부에 배치되어 외부로 노출되지 않는다.
상기 제 2 부스바는, 상기 복수의 베어 셀의 개수보다 1개 적다.
상기 제 2 부스바는 적어도 두 개 이상이고, 지그재그 형태로 상기 복수의 베어 셀을 직렬 연결한다.
상기 제 1 부스바는 상기 접속부와 상기 단자부가 제 1 케이스 블록 내부에서 접한다.
상기 제 1 케이스 블록과 상기 복수의 제 2 케이스 블록은 열 융착으로 실링 처리될 수 있다.
본 발명은, 각 단위 베어 셀마다 별도로 셀 케이스로 패키징하지 않으면서 부스바를 직접 연결하여 접촉 저항을 감소시키고 방열 효율을 높인다.
또한, 본 발명은, 복수의 베어 셀을 하나의 케이스만으로 수납하여 에너지 저장 장치의 무게가 감소하고 방열 효율을 높인다.
도 1은 종래 기술에 따른 에너지 저장 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 결합 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부스바의 배치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 실링 방법을 설명하는 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 결합 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치는, 제 1 케이스 블록(210), 제 2 케이스 블록(220), 부스바(230a, 230b) 및 베어 셀(bare cell)(230)을 포함한다.
베어 셀(230)은, 양극 전극, 음극 전극, 분리막 및 전해질로 구성되어 전기화학적 에너지 저장 기능을 갖는 에너지 저장 소자이다. 대표적으로 베어 셀(230)은 울트라 커패시터와 같은 고 정전용량 에너지 저장 소자이나 여기에 제한되지 않으며, 슈퍼 커패시터(Super Capacitor; SC), 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC) 등이 포함될 수 있다.
제 1 케이스 블록(210)은, 복수의 베어 셀(230)을 수용할 수 있도록 베어 셀(230)의 외측면의 형상에 대응하는 형상을 갖는 복수의 수용부(211)를 구비한다. 각 수용부(211)는 베어 셀(230)이 삽입될 수 있도록 U자 형상으로 제조되어 길이 방향의 일 측면과 상면 및 하면이 개방되어 있다. 따라서 인접한 두 수용부(211)는 중앙 격벽으로 분리되어 있는 형태이다. 본 실시예에서 각 베어 셀(230)은 원통 형상이고 각 수용부(211)는 이러한 원통 형상의 베어 셀(230)을 수용할 수 있도록 내측이 호(ARC) 형상을 갖는다. 제 1 케이스 블록(210)은 예컨대 플라스틱과 같은 절연 재질로 제조될 수 있다.
제 2 케이스 블록(220)은, 상기 복수의 수용부(211)의 개수에 대응하는 수만큼 마련되고 각 수용부(211)에 대응하는 형상으로 제조된다. 즉, 제 2 케이스 블록(220)은 상기 각 수용부(211)와 마찬가지로 길이 방향으로 일 측면이 개방되어 있고 베어 셀(230)이 수용된 각 수용부(211)의 개방된 길이 방향 측면으로 삽입되어 각 수용부(211)의 개방면을 폐쇄한다. 따라서 제 2 케이스 블록(220)은 각 수용부(211)에 대응하는 U자 형상으로 제조되어 길이 방향의 일 측면만 개방되어 있다. 제 2 케이스 블록(220)은 각 수용부(211)에 삽입되므로, 제 2 케이스 블록(220)의 폭의 길이는, 각 수용부(211)의 폭의 길이보다 작은 것이 바람직하다. 그리고 제 1 케이스 블록(210)과 마찬가지로 제 2 케이스 블록(220)의 내측은, 베어 셀(230)의 외측면의 형상에 대응하는 형상을 갖는다. 본 실시예에서 각 베어 셀(230)은 원통 형상이므로 제 2 케이스 블록(220)의 내측은 호(ARC) 형상을 갖는다. 제 2 케이스 블록(220)은 예컨대 플라스틱과 같은 절연 재질로 제조될 수 있다.
부스바(230a, 230b)는 복수의 베어 셀(230)을 직렬 연결하기 위한 도체이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 부스바(230a, 230b) 중 제 1 부스바(230a)는 베어 셀(230)의 전극과 접속하는 하나의 접속부(231)와, 그 접속부(231)에서 연장 및 직각 절곡되어 외부 접속 단자 역할을 하는 하나의 단자부(232)를 포함한다. 이러한 제 1 부스바(230a)는 두 개가 존재한다. 부스바(230a, 230b) 중 제 2 부스바(230b)는 베어 셀(230)의 전극과 접속하는 두 개의 접속부(233)와, 그 두 개의 접속부(233)에서 연장 및 직각 절곡되어 그 두 개의 접속부(233)를 연결하는 연결부(234)를 포함한다. 이러한 제 2 부스바(230b)는 적어도 하나가 존재한다. 부스바(230a, 230b)의 개수 및 배치 구조에 관해서는 도 4를 참조하여 아래에서 더 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부스바의 배치를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 제 1 부스바(230a)는 두 개가 배치되고 베어 셀(230)의 어레이에서 같은 측면에서 양 끝 부분에 배치된다. 이는 베어 셀(230)의 개수가 짝수(6개)이기 때문이다. 베어 셀(230)이 적어도 3개 이상의 홀수 개이면 두 개의 제 1 부스바(230a)는 베어 셀(230)의 어레이에서 서로 다른 측면의 끝 부분에 배치된다. 도 4에서 제 2 부스바(230b)는 5개가 배치된다. 각 제 2 부스바(230b)는 인접한 두 개의 베어 셀(230)의 두 전극에 접속된다. 본 실시예에서는 베어 셀(230)의 개수가 6개이기 때문에, 제 2 부스바(230b)는 5개가 사용된다. 만약 베어 셀(230)의 개수가 5개이면 제 2 부스바(230b)는 4개가 사용된다. 즉, 제 2 부스바(230b)의 개수는 베어 셀(230)의 개수보다 1개가 적다. 그리고 베어 셀(230)의 어레이의 일 측면에 설치되는 제 2 부스바(230b)와, 그 일 측면의 반대 측면에 설치되는 제 2 부스바(230b)는, 연결부(234)의 일부가 서로 마주한다. 이와 같이 제 1 부스바(230a)는 베어 셀(230)의 에레이의 양 끝부분에 설치되고, 제 2 부스바(230b)는 지그재그 형태로 베어 셀(230)의 두 전극을 연결함으로써, 최종적으로 베어 셀(230)은 직렬로 연결된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 부스바(230a, 230b)는 제 1 케이스 블록(210)에 배치된다. 바람직하게, 부스바(230a, 230b)와 제 1 케이스 블록(210)은 인서트 사출로 제조될 수 있으나 여기에 제한되지 않는다. 제 1 부스바(230a)와 제 2 부스바(230b)의 접속부(231, 233)는, 제 1 케이스 블록(210)의 개방된 상면 및 하면에 돌출되어 베어 셀(230)의 전극에 접속된다. 그리고 제 1 부스바(230a)의 단자부(232)는 제 1 케이스 블록(210)의 외부로 돌출된다. 반면, 제 2 부스바(230b)의 연결부(234)는 제 1 케이스 블록(210)의 내부에 배치되어 있어 외부에는 노출되지 않는다. 제 1 부스바(230a)의 접속부(231)와 단자부(232)는 제 1 케이스 블록(210)의 내부에서 접하고, 마찬가지로 제 2 부스바(230b)의 접속부(233)와 연결부(234)도 제 1 케이스 블록(210)의 내부에서 접한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 실링 방법을 설명하는 도면이다. 도 5를 참조하면, 부스바(230a, 230b)가 인서트 사출된 제 1 케이스 블록(210)의 복수의 수용부(211)에 복수의 베어 셀(230)을 삽입한 후, 복수의 제 2 케이스 블록(220)을 각 수용부(211)에 삽입한다. 그리고 도 5에 도시된 점선 부분, 즉 제 1 케이스 블록(210)과 제 2 케이스 블록(220)의 연결 부분을 열 융착하여 실링 처리한다. 열 융착의 대표적인 예는 용접이다. 이와 같이 실링 처리를 하게 되면, 인접한 두 수용부(211) 사이의 격벽 부분은 이중 실링 처리가 되어 신뢰성을 확보할 수 있다.
종래 기술에 따르면, 각 단위 베어 셀마다 개별적으로 셀 케이스로 패키징을 한 후 부스바를 통해 에너지 저장 셀들을 전기적으로 연결하여 접촉 저항이 증가하여 효율이 저하되고, 또한 방열 효율이 저하된다. 반면, 본 발명의 실시예에 따르면, 각 단위 베어 셀마다 별도로 셀 케이스로 패키징하지 않으면서 부스바를 직접 연결하여 접촉 저항을 감소시키고 방열 효율을 높인다. 또한 종래 기술에 따르면, 각 단위 에너지 저장 셀마다 셀 케이스로 패키징을 하면서도 추가로 모듈 케이스에 수납함으로써 에너지 저장 장치의 무게가 증가하고 방열 효율이 더욱 안 좋아지는 문제점이 있다. 반면, 본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 케이스만 사용되어 에너지 저장 장치의 무게가 감소하고 방열 효율을 높일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
210 : 제 1 케이스 블록
220 : 제 2 케이스 블록
230 : 베어 셀
230a, 230b : 부스바
211 : 수용부

Claims (7)

  1. 복수의 미패키징 상태의 베어 셀;
    상기 복수의 미패키징 상태의 베어 셀 각각의 외측면에 대응하는 형상을 갖고 상기 베어 셀이 삽입될 수 있도록 길이 방향으로 일 측면이 개방되어 복수의 수용부를 구비하는 제 1 케이스 블록;
    상기 제 1 케이스 블록의 상기 복수의 수용부 각각에 대응하는 형상으로 구성되고 상기 제 1 케이스 블록의 상기 베어 셀이 삽입되어 있는 상기 복수의 수용부 각각의 상기 개방되어 있는 상기 일 측면으로 삽입되어 결합되는 복수의 제 2 케이스 블록; 및
    상기 제 1 케이스 블록에 배치되어 상기 복수의 미패키징 상태의 베어 셀과 직접 연결되고 상기 복수의 미패키징 상태의 베어 셀을 직렬로 연결하는 부스바를 포함하는 에너지 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부스바는,
    상기 베어 셀의 전극에 연결되는 접속부와 그 접속부에서 직각 절곡된 단자부를 포함하고 상기 복수의 수용부의 양 끝에 설치되는 두 개의 제 1 부스바; 및
    인접한 두 개의 베어 셀의 전극과 접속하는 두 개의 접속부와 그 두 개의 접속부를 연결하며 상기 두 개의 접속부에서 직각 절곡된 연결부를 포함하는 제 2 부스바를 포함하는 에너지 저장 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 부스바의 상기 단자부는 상기 제 1 케이스 블록의 외부로 돌출되고,
    상기 제 2 부스바의 상기 연결부는 상기 제 1 케이스 블록의 내부에 배치되어 외부로 노출되지 않는 에너지 저장 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 부스바는,
    상기 복수의 미패키징 상태의 베어 셀의 개수보다 1개 적은 에너지 저장 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 부스바는 적어도 두 개 이상이고,
    지그재그 형태로 상기 복수의 미패키징 상태의 베어 셀을 직렬 연결하는 에너지 저장 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 부스바는 상기 접속부와 상기 단자부가 상기 제 1 케이스 블록 내부에서 접하는 에너지 저장 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 케이스 블록과 상기 복수의 제 2 케이스 블록은 열 융착으로 실링 처리되는 에너지 저장 장치.
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