KR20060062006A - 전지 팩 제조용 전지 연결부재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전지가 착탈 가능한 절연성 프레임, 전지의 전극단자와 전기적으로 연결될 수 있는 단자 접속부, 전지 연결부재간의 결합에 사용되는 체결부, 및 상호 접해있는 전지 연결부재들의 단자 접속부들을 전기적으로 연결하는 도전부를 포함하는 것으로 구성된 전지 팩 제조용 전지 연결부재를 제공하는 바, 이러한 전지 연결부재는 다수의 연결부재들을 간단히 결합하는 방식으로 전지간의 전기적 연결을 용이하게 달성할 수 있으므로, 전지 팩의 생산성을 크게 향상시키며, 불량의 가능성을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

전지 팩 제조용 전지 연결부재 {Battery Cell-Connecting Member for Preparation of Battery Pack}

도 1 및 도 2는 종래기술에 따라 니켈 플레이트를 사용하여 다수의 전지를 연결하는 과정의 모식도들이다;

도 3은 도 1 및 도 2의 과정을 통해 제조된 전지들의 결합 방식을 보여주는 분해도이다;

도 4는 종래기술에 따라 제작된 전지 팩의 모식도이다;

도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 연결부재의 사시도이다;

도 6은 도 5의 전지 연결부재에서 단자 접속부가 설치된 상부 프레임 주변의 부분 확대도이다;

도 7은 도 5의 전지 연결부재에 전지를 장착한 상태의 사시도이다;

도 8은 도 5의 전지 연결부재 2 개를 결합하는 과정의 모식도이다;

도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 4 개의 전지 연결부재들을 직렬 및 병렬 방식으로 결합하여 전지 팩을 제조하기 위한 모식도이다.

도면의 주요부호에 대한 설명

100: 전지 연결부재 200: 프레임

300: 단자 접속부 400, 410: 체결부

500: 도전부 600: 전지

700: 전지 팩

본 발명은 전지 팩의 제조에 사용될 수 있는 전지 연결부재에 관한 것으로, 전지가 착탈 가능한 절연성 프레임, 전지의 전극단자와 전기적으로 연결될 수 있는 단자 접속부, 전지 연결부재들 사이의 결합에 사용되는 체결부, 및 상호 접해있는 전지 연결부재들의 단자 접속부들을 전기적으로 연결하는 도전부를 포함하는 것으로 구성된 전지 연결부재와, 이러한 연결부재로 이루어진 전지 팩을 제공한다.

모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있고, 그러한 이차전지 중 높은 에너지 밀도와 방전 전압의 리튬 이차전지에 대해 많은 연구가 행해졌고 또한 상용화되어 널리 사용되고 있다.

이차전지는 그것이 사용되는 외부기기의 종류에 따라, 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 또는 다수의 단위전지들을 전기적으로 연결한 전지 팩의 형태로 사용되기도 한다. 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 전지 1 개의 출력과 용량으로 소정의 시간 동안 작동이 가능한 반면에, 노트북 컴퓨터, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 전지 팩의 사용이 요구된다.

전지 팩은 다수의 단위전지들을 직렬 및/또는 병렬로 전기적 연결을 이룬 전지 구조물로서, 단위전지의 전극간 전기적 연결을 위해 와이어, 플레이트, FPCB 등이 사용되고 있다.

와이어는 도체로 이루어진 선상(線狀) 부재로서, 일반적으로 선상 도체의 외면에 절연성 수지가 피복되어 있으므로, 변형이 용이하고 가격이 저렴한 장점을 가지고 있지만, 전지의 전극에 스팟 용접, 초음파 용접, 레이저 용접 등과 같은 용접에 의해 전기적 연결을 이루기 어렵고, 납땜에 의한 용접 과정에서는 전지로 다량의 열이 전달되어 전지의 손상을 유발하는 단점을 가지고 있다.

플레이트는 판상의 도체 부재로서 전지 전극에 대해 상기와 같은 용접을 실행하기 용이한 장점을 가지고 있지만, 조립 과정에서 약간의 오차로도 결합을 달성하기 어려운 단점을 가지고 있다.

또한, 최근 많이 사용되고 있는 FPCB (Flexible Printed Circuit Board: 연성인쇄회로기판)은 상기 플레이트와 마찬가지로 전지 전극과의 용접이 용이하고 복잡한 구조의 전기적 연결에 적합하다는 장점을 가지고 있지만, 고가이고 정형성이 떨어지며 조립작업이 용이하지 않다는 단점을 가지고 있다.

도 1 및 도 2에는 니켈 플레이트를 사용하여 다수의 전지를 연결하는 과정의 도면들이 모식적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 우선 지그(10)에 전지들(20, 21)을 고정하고 전지(20)의 단자상에 니켈 플레이트(30)를 위치시킨 뒤 용접 팁(40)으로 스폿 용접을 행한다. 이들 전지들(20, 21)은 병렬방식으로 연결된다. 그런 다음, 도 2에서와 같이, 다른 쌍의 병렬 전지들(22, 23)을 스폿 용접하는데, 제 1 병렬 전지 쌍(20, 21)과 제 2 병렬 전지 쌍(22, 23)을 직렬로 연결하기 위해서는, 이들을 90도로 위치시킨 다음, 니켈 플레이트(30)도 90도로 꺾어 용접하여야 한다. 이러한 작업은 제 3 병렬 전지 쌍(24, 25)에 대해서도 마찬가지다. 따라서, 매우 숙련된 기술과 특수한 구조의 지그를 필요로 하며 작업 또한 시간소모적이다. 이러한 용접 작업이 완료된 상태에서 상기 전지 쌍들(20, 21, 22, 23, 24, 25)을 일렬로 펼치면, 도 3 및 도 4에서와 같은 구조가 만들어진다.

도 3에는 도 1 및 도 2에서의 전기적 연결작업을 완료한 상태에서 3 개의 전지들이 3 직렬 × 2 병렬의 전지 팩을 구성한 상태에서의 모식도가 도시되어 있다. 도 3은 이해의 편의를 위하여 그러한 3 직렬 × 2 병렬 전지 팩의 결합 관계를 분해도로서 표시하였다.

도 3에서와 같이, 각각 병렬로 연결된 전지들(20, 21)의 3 개의 전지 쌍들은 니켈 플레이트(30)를 통해 직렬로 연결된다.

도 4에는 조립이 완성된 상태의 전지 팩(50)의 모식도가 도시되어 있다. 각각의 전지들(20, 21)은 니켈 플레이트(30)에 연결된 양극 도선(60)과 음극 도선(70) 및 FPCB(80)을 통해 보호회로 모듈(90)에 연결되어 있다.

이와 같이, 니켈 플레이트를 사용하는 종래기술에 따른 전지 팩의 제조방법 은 단자간의 결합이 용이하지 않음으로 인해 복잡한 방식으로 진행되어 제품의 생산성이 매우 낮다는 문제점을 가지고 있다. 또한, 전지간의 최종 연결 후, 니켈 플레이트를 완전히 꺾어 소정의 케이스안에 안착시켜야 하므로 용접 부위가 탈리되어 불량을 유발할 가능성도 존재한다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 심도있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에 새로운 구조의 전지 팩 제조용 전지 연결부재를 개발하기에 이르렀고, 그러한 연결부재는 다수의 연결부재들을 간단히 결합하는 방식으로 전지간의 전기적 연결을 용이하게 달성할 수 있으므로, 전지 팩의 생산성을 크게 향상시키며, 불량의 가능성을 크게 줄일 수 있는 등 다양한 잇점을 가짐을 확인하였다.

따라서, 본 발명의 첫번째 목적은 전지간의 연결이 용이한 전지 연결부재를 제공하는 것이다.

본 발명의 두번째 목적은 상기 전지 연결부재를 포함하는 것으로 구성된 전지 팩을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 전지 팩 제조용 전지 연결부 재는, 전지가 착탈 가능하도록 전지의 외형을 감싸는 절연성 프레임, 및 전지가 장착된 상태에서 전지의 전극단자와 전기적으로 연결될 수 있는 단자 접속부를 상부와 하부에 각각 포함하고 있고, 상기 절연성 프레임에는 인접한 전지 연결부재와 결합될 수 있는 체결부가 형성되어 있으며, 상기 체결부에는 상기 단자 접속부와 전기적으로 연결되어 있는 도전부가 포함되어 있는 구조로 이루어져 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전지 연결부는 체결부를 통해 다른 전지 연결부재들과 전기적으로 연결된 상태로 결합될 수 있으며, 그러한 결합 상태에서 각각의 전지 연결부에 전지를 장착하는 것에 의해 용이하게 전지 팩을 제조할 수 있다.

상기 절연성 프레임은 전지가 착탈 가능한 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니고, 하나의 바람직한 예에서, 절연성 프레임은 전지의 상부 및/또는 하부가 각각 노출된 상태로 전지의 외주면을 따라 형성된 장방형의 구조로 이루어질 수 있다.

절연성 프레임의 크기는 장착되는 전지의 수에 따라 달라질 수 있으며, 바람직하게는 하나 또는 두 개의 전지를 장착할 수 있는 크기를 갖는다. 두 개 또는 그 이상의 전지들이 절연성 프레임에 장착되는 경우, 즉, 다수의 전지들이 하나의 절연성 프레임에 장착되는 경우에, 이들은 직렬 또는 병렬방식의 배열로 장착될 수 있다.

절연성 프레임의 소재는 전기 절연성이며 소정의 강도를 갖는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 플라스틱 수지로 이루어질 수 있다. 이러한 플라스틱 수지의 대표적인 예로는, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리부타디엔, 폴리아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 등이나, 이들의 둘 또는 그 이상의 공중합체, 또는 이들의 블렌드, 또는 이들 수지에 강화제를 첨가한 복합체 등을 들 수 있다.

상기 단자 접속부는 절연성 프레임에 장착된 전지의 전극단자에 전기적으로 연결될 수 있는 구조라면 특별히 제한되지 않는다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 단자 접속부는 탄성력에 의해 프레임의 안쪽과 바깥쪽으로 임의로 꺾일(휠) 수 있는 굴곡진 판상 금속편으로 이루어져 있다. 이러한 금속 편의 단자 접속부는 일반적인 상태에서는 바깥쪽으로 휘어져 있지만, 절연성 프레임에 전지를 장착한 후 기타의 조립작업이 완료되었을 때, 비로소 프레임 안쪽으로 꺾어 전지 전극단자와의 전기적 연결을 이룰 수 있다. 따라서, 작업자가 감전될 위험성을 방지하고 조립된 상태에서 단자 접속부가 외부의 기기 등에 접촉될 가능성을 크게 줄일 수 있다.

상기 체결부는 인접한 전지 연결부재와 결합될 수 있는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 하나의 바람직한 예에서, 상기 프레임 부재의 일측에 체결돌기가 형성되어 있고, 반대측에 그에 대응하는 체결홈이 형성되어 있는 구조일 수 있다. 따라서, 전지 연결부재(A)의 프레임 체결돌기를 다른 전지 연결부재(B)의 프레임 체결홈에 결합시키고, 및/또는 전지 연결부재(A)의 프레임 체결홈을 전지 연결부재(C)의 체결돌기에 결합시킴으로써, 소망하는 수 만큼 다수의 전지 연결부재들을 상호 결합시킬 수 있다.

상기 도전부는 둘 또는 그 이상의 전지 연결부재들이 체결부를 통해 결합된 상태에서 각각의 단자 접속부(각 전지 연결부재의 단자 접속부)를 전기적으로 연결 하는 역할을 하므로, 전지 연결부재들이 결합된 상태에서 전지 연결부재(A)의 단자 접속부를 인접한 전지 연결부재(B)의 단자 접속부와 전기적 연결을 할 수 있는 구조라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 도전부는 인접한 전지 연결부재와 접촉하는 부위만을 제외하고는 절연성 프레임의 내부에 밀봉되어 있어서, 외부와 전기적으로 절연상태를 유지할 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 체결부가 상기와 같이 체결돌기와 체결홈의 구조로 되어 있을 때, 도전부가 상기 체결돌기와 체결홈을 형성하도록 구성될 수 있다.

본 발명은 또한, 상기와 같은 전지 연결부재를 포함하는 것으로 구성된 전지 팩을 제공한다. 본 발명에 따른 전지 팩에서 전지 연결부재는 전지들을 직렬방식으로 및/또는 병렬방식으로 연결할 수 있다.

전지 연결부재에 장착될 수 있는 전지는 다양한 형태들이 가능하며, 바람직하게는 원통형 전지 또는 각형 전지이고, 더욱 바람직하게는 원통형 전지가 사용될 수 있다.

상기 전지 팩은 둘 또는 그 이상의 전지들의 조합이 요구되는 중대형 전지 시스템에 사용될 수 있으며, 예를 들어, 노트북 컴퓨터와 같은 중형 디바이스에서부터 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 대형 디바이스의 전지 시스템에 사용될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지 연결부재의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 전지 연결부재(100)는, 전지(도시하지 않음)가 장착될 수 있는 상하 개방된 장방형의 절연성 프레임(200), 상부 프레임(210)과 하부 프레임(220)에 각각 위치하는 단자 접속부(300, 310), 우측 프레임(230)에 상향 돌출되어 있는 체결돌기(400), 좌측 프레임(240)에 하향 만입되어 있는 체결홈(410), 및 프레임(200)에 내장된 상태에서 단자 접속부(300, 310)와 전기적으로 연결되어 있는 도전부(점선 표시 부분: 500, 510)로 이루어져 있다.

상부와 하부의 단자 접속부(300, 310)는 전지의 양극과 음극에 연결되므로, 양극 단자 접속부(300)에 연결된 양극 도전부(500)와 음극 단자 접속부(310)에 연결된 음극 도전부(510)는 전기적으로 서로 격리되어 있다.

체결돌기(400)와 체결홈(410)은 맞물린 상태에서 서로 결합될 수 있는 구조를 가지며, 그 자체가 도전부(500)로 이루어져 있어서, 또다른 전지 연결부재(도시하지 않음)와 결합되었을 때 전기적으로 연결된다. 전지 연결부재들이 상호 결합된 상태에서 평면을 유지할 수 있도록, 체결돌기(400)와 체결홈(410)이 형성되어 있는 측면 프레임들(230, 240)은 상부 프레임(210) 및 하부 프레임(220)으로부터 단차를 형성하고 있다.

도 6에는 단자 접속부를 중심을 한 상부 프레임 주변의 확대도가 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 상부 프레임(210)의 중앙에 설치되어 있는 단자 접속부 (300)는 판상의 금속편으로서, 바깥쪽으로 완만하게 굴곡 돌출되어 있다. 그러한 굴곡 돌출 형상은 수직 단면상에서 빗금 부분(A)으로 표시되어 있다. 따라서, 프레임(200)의 내부에 전지(도시하지 않음)가 장착된 상태에서도 단자 접속부(300)는 전지와 전기적으로 연결되지 않는다. 반면에, 단자 접속부(300)는 그것의 바깥면으로부터 압력(화살표 방향)을 가하면, 안쪽으로 휘어지면서 전지의 전극단자와 접촉하게 되어 전기적 연결이 이루어진다. 단자 접속부(300)는 탄력성이 있으므로, 상기와 반대로, 안쪽면으로부터 압력(화살표 반대 방향)을 가하면, 바깥쪽으로 재차 휘어질 수 있다.

참고로, 도 5에서와는 반대로, 도 6의 프레임(200)에서는 우측 프레임(230)에 체결홈(410)이 상향 만입되어 있고, 좌측 프레임(240)에 체결돌기(400)가 하향 돌출되어 있다. 도 6의 형상은 도 5의 프레임(200)을 뒤집었을 때 얻어질 수 있다. 도전부(500)는 단자 접속부(300)에 연결된 상태로 체결돌기(400)를 형성함으로써 외부로 노출되어 있고 체결홈(410)의 하단을 형성함으로써 그것의 외부로 노출되어 있다.

도 7에는 도 5의 전지 연결부재(100)에 원통형 전지(600)를 장착한 상태의 모식도가 도시되어 있다.

도 7을 참조하면, 전지(600)가 장착된 상태에서, 우측 프레임(230)에는 전지(600)의 양극 단자(610)에 전기적으로 연결된 양극 도전부가 체결돌기(400)로서 돌출되어 있고, 음극 단자(620)에 전기적으로 연결된 음극 도전부가 체결돌기(400a)로서 돌출되어 있다. 두 체결돌기들(400, 400a)은 전기적으로 서로 격리되어 있 다. 경우에 따라서는, 양극 도전부는 체결돌기의 형태로 우측 프레임(230)에 노출되어 있고 음극 도전부는 체결홈의 형태로 동일한 우측 프레임(230)에 노출되어 있는 구조도 가능하다.

도 8에는 2 개의 전지 연결부재(100, 102)를 결합하는 과정의 모식도가 도시되어 있다.

도 8을 참조하면, 제 1 전지 연결부재(100)의 우측 프레임(230)의 체결홈(410)에 제 2 전지 연결부재(102)의 좌측 프레임(242)의 체결돌기(402)가 결합될 수 있도록 두 연결부재(100, 102)를 상호 위치시킨다.

제 1 전지 연결부재(100)의 제 1 단자 결속부(300)에 양극 단자가 위치하도록 제 1 전지(도시하지 않음)가 제 1 전지 연결부재(100)에 장착되고, 제 2 전지 연결부재(102)의 제 1 단자 결속부(302)에도 양극 단자가 위치하도록 제 2 전지(도시하지 않음)가 제 2 전지 연결부재(102)에 장착되면, 제 1 단자 결속부(300)는 체결홈(410)이 체결돌기(402)에 결합되었을 때 제 2 단자 결속부(302)에 병렬방식으로 연결되게 된다.

반대로, 제 2 전지 연결부재(102)의 제 1 단자 접속부(302)에 음극 단자가 위치하도록 제 2 전지가 제 2 전지 연결부재(102)에 장착되면, 직렬 연결이 이루어진다. 따라서, 본 발명에 따른 전지 연결부재(100, 102)는 병렬방식과 직렬방식을 모두 용이하게 이룰 수 있다.

또한, 제 1 전지 연결부재(100)의 우측 프레임(230)과 제 2 전지 연결부재(102)의 좌측 프레임(242)은 각각의 체결홈(410)와 체결돌기(402)가 결합되었을 때 , 전체적인 높이가 일치하도록 각각 단차가 형성되어 있으므로, 결합된 상태에서의 전체적인 크기(높이)는 증가하지 않는다.

도 9에는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 4 개의 전지 연결부재들이 세로방향 뿐만 아니라 가로방향으로도 결합되어 하나의 전지 팩을 이룬 구조의 모식도가 도시되어 있다. 이러한 결합의 전지 팩(700)은 각각의 전지 연결부재(100)에 동일한 배향으로 전지를 장착한 경우, 병렬 및 직렬방식의 연결을 제공한다.

연결부재들(100)의 세로방향의 연결은, 도 8에서와 같이, 체결돌기 및 체결홈의 결합으로 용이하게 이루어진다. 반면에, 가로방향의 연결은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 상부 프레임(210) 및 그에 대응하는 하부 프레임(220)에 상기와 같은 체결돌기와 체결홈을 형성하거나, 하부 프레임(220)의 단자 접속부(410)과 상부 프레임(210)의 단자 접속부(도시하지 않음)를 용접하거나, 하부 프레임(220)을 상부 프레임(210)과 접착시키거나, 또는 별도의 결합부재를 사용하여 전지 연결부재들을 일체로서 결합시키는 등을 고려할 수 있다. 이러한 방법들은, 본 발명에 따른 전지 연결부재를 사용하여 전지 팩을 구성하는 것이라면, 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지 연결부재는 다수의 연결부재들을 간단히 결합하는 방식으로 전지간의 전기적 연결을 용이하게 달성할 수 있으므로, 전지 팩의 생산성을 크게 향상시키며, 불량의 가능성을 크게 줄일 수 있는 효 과가 있다.

Claims (11)

1. 전지가 착탈 가능하도록 전지의 외형을 감싸는 절연성 프레임, 및 전지가 장착된 상태에서 전지의 전극단자와 전기적으로 연결될 수 있는 단자 접속부를 상부와 하부에 각각 포함하고 있고, 상기 절연성 프레임에는 인접한 전지 연결부재와 결합될 수 있는 체결부가 형성되어 있으며, 상기 체결부에는 상기 단자 접속부와 전기적으로 연결되어 있는 도전부가 포함되어 있는 전지 팩 제조용 전지 연결부재.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 프레임은 전지의 상부 및/또는 하부가 각각 노출된 상태로 전지의 외주면을 따라 형성된 장방형의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지 연결부재.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 프레임의 소재는 플라스틱 수지인 것을 특징으로 하는 전지 연결부재.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 단자 접속부는 탄성력에 의해 프레임의 안쪽과 바깥쪽으로 임의로 꺾일(휠) 수 있는 굴곡진 판상 금속편으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 연결부재.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 체결부는 상기 프레임 부재의 일측에 형성된 체결돌 기와 반대쪽 프레임 부재의 일측에 형성되어 있는 체결홈인 것을 특징으로 하는 전지 연결부재.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 도전부는 인접한 전지 연결부재와 접촉하는 부위만을 제외하고는 절연성 프레임의 내부에 밀봉되어 있어서 외부와 전기적으로 절연상태을 유지하고 있는 것을 특징으로 하는 전지 연결부재.
7. 제 5 항에 있어서, 체결부가 체결돌기와 체결홈의 구조로 되어 있을 때, 도전부는 상기 체결돌기와 체결홈을 형성하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 연결부재.
8. 제 1 항에 따른 전지 연결부재를 포함하는 것으로 구성된 전지 팩.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 전지 팩에서 전지 연결부재는 전지들을 직렬방식 및/또는 병렬방식으로 연결하는 것을 특징으로 하는 전지 팩.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 전지 연결부재에 장착될 수 있는 전지는 원통형 전지 또는 각형 전지인 것을 특징으로 하는 전지 팩.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 전지는 원통형 전지인 것을 특징으로 하는 전지 팩 .

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