KR20070075711A - 전지모듈 제조용 스페이서 - Google Patents

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KR20070075711A
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Abstract

본 발명은 단위전지로서 원통형 전지를 사용하는 전지모듈을 제조하는데 사용되는 스페이서로서, 원통형 전지의 외면에 대응하는 다수의 반 원통형 전지 수납부가 장방형 프레임의 양측 대향면에 형성되어 있고, 각 전지 수납부는 동일면 상의 인접 전지 수납부와 연통될 수 있도록 적어도 일부가 개방되어 있는 것으로 구성된 스페이서와, 이러한 스페이서로 이루어진 전지모듈을 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 전지모듈 제조용 스페이서는 부품의 수를 최소화하면서 구조적으로 안정한 전지모듈을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 조립과정 또는 사용 중에 단위전지들 간의 단락을 방지할 수 있으며, 충 방전 시 단위전지로부터 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.

Description

전지모듈 제조용 스페이서 {Spacer for Preparation of Battery Module}
도 1 및 도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈 제조용 스페이서의 평면도와 사시도 이다;
도 3은 도 1의 전지모듈 제조용 스페이서의 측면도이다;
도 4는 도 1의 전지모듈 제조용 스페이서의 정면도이다;
도 5는 도 1에서와 같은 스페이스에 원통형 전지들이 장착되어 있는 상태의 사시도 이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100: 스페이서 200: 전지 수납부
210: 개방부 220, 230: 원통형 상하부
240, 245: 덮개 250: 제 1 관통구
260: 제 2 관통구 270: 수직 관통로
본 발명은 단위전지로서 원통형 전지를 사용하는 전지모듈 제조용 스페이서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 원통형 전지의 외면에 대응하는 다수의 반 원통형 전지 수납부가 장방형 프레임의 양측 대향면에 형성되어 있고, 각 전지 수납부는 동일면 상의 인접 전지 수납부와 연통될 수 있도록 적어도 일부가 개방되어 있는 것으로 구성된 스페이서와, 이러한 스페이서로 이루어진 전지모듈을 제공한다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서 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 소정 시간 동안 작동이 가능한 반면에, 노트북 컴퓨터, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 중대형 전지팩의 사용이 요구된다.
일반적으로 전지모듈을 형성함에 있어서, 단위전지로 원통형 이차전지, 각형 이차전지 및 파우치형 이차전지를 사용할 수 있다. 단위전지로서 각형 전지 및 파우치형 전지를 사용할 경우, 적층이 용이하고 배열 구조가 안정하여 전기적으로 연결하는데 별 문제점이 없다. 그러나, 각형 전지 및 파우치형 전지에 비해 상대적 으로 고용량을 가지는 원통형 전지는 외형적 특성상 배열 구조를 유지하는데 많은 어려움이 있다.
따라서, 원통형 전지의 배열 구조를 유지하기 위한 여러 형태의 고정 장치들이 개발되었다. 예를 들어, 한국 특허출원공개 제1995-10160호에는 원통형 전지들의 중간에 위치하는 형태의 스페이서(중간 스페이서)와 상기 중간 스페이서에 전지들이 위치된 상태에서 그것의 외면을 일체로 감싸는 구조의 결합부재로 이루어진 고정장치가 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술에서의 고정장치는 중간 스페이서와 별도의 결합부재로 구성되어 있어서 조립 과정이 번잡하고, 결합부재가 정 위치에 장착되지 않는 경우에는 분리될 가능성이 높다는 단점을 가지고 있다.
일본 특허출원 공개 2000-100401호에는 상기 출원에서의 스페이서와 유사한 구조의 중간 스페이서가 개시되어 있으나, 상기 중간 스페이서는 단지 원통형 전지들을 이격시키는 작용만하며, 원통형 전지들을 상호 고정하기 위해서는, 상기 출원의 명세서 중 그것의 도 1에 개시되어 있는 바와 같이, 회로기판 등에 원통형 전지의 전극단자들을 전극 접속 판을 사용하여 고정시켜야 하므로, 사용이 제한되고 조립 과정이 매우 번잡하다는 단점을 가지고 있다.
또한, 미국 특허출원공개 제2001-46624호에는 다수의 원통형 전지들을 2 층으로 내장할 수 있는 한 쌍의 상하부 커버 및 중간 커버와 상기 커버들의 내면에 형성되어 있는 다수 개의 고정 리브(holding ribs) 구조 로 구성된 고정장치가 개시되어 있다. 상기 고정장치는 원통형 전지들을 안정적으로 장착할 수 있다는 장점이 있는 반면에, 장치를 구성하는 부품들의 수가 많으며, 원통형 전지들이 고정 리브 구조에 의해 커버 상에 지지되므로 리브의 강도가 충분치 못한 경우에는 구조적으로 취약할 수 있다는 단점을 가지고 있다. 특히, 중간 커버는 그것의 구조상 충분한 기계적 강도를 제공하기 어려운 구조로 이루어져 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에 새로운 구조의 전지모듈 제조용 스페이서를 개발하기에 이르렀고, 그러한 스페이서는 다수의 단위전지들을 전기적으로 연결하여 전지모듈을 제조함에 있어서, 상기 원통형 전지들을 높은 밀집도로 충적할 수 있고, 부품의 수를 최소화하면서 구조적으로 안정한 전지모듈을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 조립과정 또는 사용 중에 단위전지들 간의 단락을 방지할 수 있으며, 충 방전 시 단위전지로부터 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있는 등 다양한 장점을 가지는 것으로 확인되었다.
따라서, 본 발명의 첫 번째 목적은 상기와 같은 다양한 장점들을 가질 수 있는 전지모듈 제조용 스페이서를 제공하는 것이다.
본 발명의 두 번째 목적은 상기 스페이서를 포함하는 것으로 구성된 전지모듈을 제공하는 것이다.
따라서, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지모듈 제조용 스페이서는, 단위전지로서 원통형 전지를 사용하여 전지모듈을 제조하는 스페이서로서, 원통형 전지의 외면에 대응하는 다수의 반 원통형 전지 수납부가 장방형 프레임의 양측 대향면에 형성되어 있고, 각 전지 수납부는 동일면 상의 인접 전지 수납부와 연통될 수 있도록 적어도 일부가 개방되어 있는 것으로 구성되어 있다.
상기 전지 수납부의 상단과 하단에는, 바람직하게는, 단위전지들이 안정적으로 고정될 수 있도록, 반 원통형 내부 공간의 원주면을 따라 단위전지의 상단면과 하단면을 향해 돌출되어 있는 덮개가 형성되어 있다. 즉, 상기 덮개는, 전지 수납부에 단위전지가 장착되었을 때, 상기 단위전지의 상단면 및 하단면의 일부를 에워싸면서 고정될 수 있는 길이로 전지 수납부의 원통형 외주면으로부터 돌출되어 있음을 의미하므로, 그러한 효과를 발휘하는 돌출 길이라면 특별히 제한되는 것은 아니다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 덮개는 단위전지가 장착되었을 때, 상기 단위전지의 상단면과 하단면에 대응하여 전지 수납부의 반 원통형 내부 원주 면으로 부 터 판상의 U자(말발굽)형 구조로 돌출되어 있어서, 이러한 U자형 돌출부가 단위전지를 고정시켜 주는 역할을 하지만 전극단자를 덮지 않아 전기적 연결을 용이하게 수행할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 전지 수납부는 동일면 상의 인접 수납부와 연통될 수 있도록 적어도 일부가 개방되어 있다. 이하에서는, 상기 개방되어 있는 부위를 개방부 라 칭한다.
상기 개방부는 바람직하게는 전지 수납부의 중간 부위에 형성되어 있으며, 상기 개방부가 완전한 개방형 구조인 경우에 그러한 개방부는 장방형 프레임의 두께와 동일하도록 별도의 높이를 갖지 않는다. 이 경우, 프레임의 상부와 하부는 반 원통형의 수납부가 다수 형성되어 있고, 중앙부는 너비방향으로 일체된 판상의 프레임 자체가 된다. 따라서, 상기 전지 수납부에 단위전지를 장착하면, 상기 단위전지의 상부와 하부는 반 원통형 구조에 의해 인접한 단위전지들과 분리되어 고정되고, 중앙부는 인접한 단위전지와 연통되게 된다.
또한, 상기 전지 수납부는 장방형 프레임을 기준으로 대향면의 전지 수납부와 연통되도록 관통구(이하, '제 1 관통구'라 함)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 제 1 관통구는 전지 수납부의 판상형 중앙부에 각각 형성되어 있고, 그것의 크기 및 개수가 특별히 제한된 것은 아니며, 필요에 따라 생략될 수도 있다.
상기 제 1 관통구는 상기 개방부와 마찬가지로 공기 등의 냉매를 위한 유로로 사용되어, 충 방전 시 단위전지에서 발생되는 열을 효과적으로 제거할 수 있게 한다.
하나의 바람직한 예에서, 본 발명에 따른 스페이서는 상기 장방형 프레임의 동일면 및 대향면에서 서로 인접한 4 개의 전지 수납부들이 교차하는 부위에 수직 관통로를 포함할 수 있다. 상기 수직 관통로는 4 개의 원이 접할 때 곡면의 특성상 인접한 원들이 상호 접합되지 못하여 중앙에 생성되는 빈공간으로 이해할 수 있다. 따라서, 상기 수직 관통로는 전지 수납부를 따라 스페이서의 상단면 중앙에 형성되고, 4 개의 곡면으로 이루어진 마름모꼴 모양이며, 그 크기 및 개수는 사용 되는 단위전지의 크기 및 개수에 의해 결정된다.
상기 스페이서는 단위전지들의 온도를 측정하기 위한 써미스터를 장착함에 있어서, 상기 써미스터를 적어도 하나 이상 개방부에 설치할 수 있다. 상기 써미스터가 설치될 개방부는, 써미스터의 설치를 용이하게 하고 설치에 따른 효과를 최대화하기 위하여, 프레임을 관통하는 형태의 수평 관통구가 형성되어 있는 구조일 수 있다. 이하에서는, 상기 수평 관통구를 '제 2 관통구'라 칭한다. 상기 제 2 관통구는 상기 개방부의 중앙에 상기 수직 관통로와 연통되도록 형성되어 있으며, 제 1 관통구와 함께 스페이서의 판상형 중앙부에 너비방향을 따라 일렬로 형성되어 있다. 상기 제 2 관통구의 개수는 설치되는 써미스터에 의해 결정된다.
본 발명에서 상기 장방형 프레임은 다수의 전지 수납부들이 양측 대향면(양면)에 형성되어 있는 장방형의 기재로서, 넓은 의미에서는 상기 전지 수납부들의 조합에 의해 형성되는 스페이서 자체로서 이해할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 스페이서는 전기절연성이며 가볍고 열에 강한 Polycarbonate(PC) 및 Polacrylonitrile-butadiene-styrene(ABS) 등의 플라스틱 소재가 바람직하며, 예를 들어, 사출성형 등에 의한 방법으로 제조될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기와 같은 스페이서를 포함하는 것으로 구성된 전지모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 전지모듈은 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 전 지 시스템에 사용될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지모듈 제조용 스페이서의 평면도와 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 스페이서(100)는 장방형의 프레임으로서 그것의 양측 대향면(양면)에 다수의 원통형 단위전지(도시하지 않음)를 장착할 수 있도록, 상기 원통형 전지의 외면에 대응하는 반 원통형 구조의 전지 수납부들(200, 201, 202)가 다수 형성되어 있다. 각각의 전지 수납부(200)에는 인접한 두 개의 전지 수납부들(201, 202)이 서로 연통될 수 있도록 중간 부위에 개방부(210, 211)가 형성되어 있다. 구체적으로는, 전지 수납부(200)에 있어서, 각각 반 원통형 내면 구조의 상부(220)와 하부(230)는 중간 부위의 개방부(210)로 인해 상호 분리되어 있는 구조로 이루어져 있다. 개방부(210)의 더욱 자세한 구조는 스페이서의 측면도가 도시되어 있는 도 3에서 더욱 용이하게 이해할 수 있다.
도 3을 참조하면, 반 원통형 내면 구조의 상부(220)와 하부(230)와 비교하여, 개방부(210)는 별도의 높이를 갖지 않으므로 완전한 평면 형태를 취하고 있다. 즉, 각각의 전지 수납부에 원통형 전지들이 장착된 상태에서 이들은 개방부(210)를 통해 그것의 중간 부위가 상호 노출되어 있는 구조로 이루어져 있다.
다시 도 1 및 2를 참조하면, 전지 수납부(200)의 상단과 하단에는 각각 덮개 (240, 245)가 형성되어 있다. 덮개(240, 245)는 단위전지의 상단면과 하단면의 일부를 감쌀 수 있도록 반 원통형 원주 면을 따라 판상의 U자형 구조로 돌출되어 있다. 따라서, 덮개(240, 245)는 단위전지의 상단면과 하단면을 감싸면서 이들을 안정적으로 고정하지만, U자형 구조로 이루어져 있으므로 단위전지의 전극단자를 가리지는 않는다.
스페이서(100)의 중앙 부위에는 양면에 대응 하여 위치하는 두 전지 수납부(200, 300)를 연통하는 관통구(제 1 관통구: 250)가 천공되어 있고, 일부 개방부에도 관통구(제 2 관통구: 260)가 천공되어 있다. 제 1 관통구(250)는 공기와 같은 냉매의 유로로 사용되며, 제 2 관통구(260)는 써미스터(도시하지 않음)의 장착을 위한 공간으로 사용된다. 특히, 제 2 관통구(260)은 스페이서(100)의 양측면 방향과 두께 방향으로 모두 개방되어 있는 구조를 취하므로, 써미스터가 장착되었을 때, 단위전지의 정확한 온도 측정이 가능할 수 있다. 이러한 관통구(250, 260)의 구조는 스페이서(100)의 정면도가 도시되어 있는 도 4를 통해 더욱 자세히 확인할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 스페이서(100)의 상단면 중앙부에는 동일면 및 대향면에서 서로 인접한 4 개의 전지 수납부들(200, 201, 300, 301)이 교차하는 부위에 수직 관통로(270)가 형성되어 있다. 수직 관통로(270)는 개방부(210)와 연통되어 있어서, 냉매의 유로로 사용될 수 있다. 이러한 수직 관통로(270)은 일부 개방부에 형성되어 있는 제 2 관통구(260)와도 연통되어 있음은 물론이다.
도 5에는 도 1에서와 같은 스페이스에 원통형 전지들이 장착되어 있는 상태 의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 단위전지들(400)은 스페이서(100)의 양면에 나란히 장착되어 있으며, 각 전지 수납부(단위전지의 장착으로 인해 표시되지 않음)의 상 하단에 형성되어 있는 덮개(240)는 단위전지(400)의 상하단면을 일부 감쌈으로써 안정적인 장착을 돕는다. 반면에, 덮개(240)는 단위전지(400)의 외주면을 덮고 있으므로 전극단자(410)는 그대로 노출되어 전기적 연결을 용이하게 수행할 수 있다.
또한, 이러한 장착 구조에 불구하고, 수직 관통로(270)와 개방부(210)를 통해 원통형 전지(400)의 상당한 부분들이 노출되므로, 이러한 노출 공간을 통해 공기가 유통되어, 충 방전 시 전지(400)로부터 발생하는 열을 용이하게 제거할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 도면들을 참조하여 발명의 내용을 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지모듈 제조용 스페이서는 부품의 수를 최소화하면서 구조적으로 안정한 전지모듈을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 조립과정 또는 사용 중에 단위전지들 간의 단락을 방지할 수 있으며, 충 방전 시 단위전지로부터 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 단위전지로서 원통형 전지를 사용하는 전지모듈을 제조하기 위한 스페이서로서, 원통형 전지의 외면에 대응하는 다수의 반 원통형 전지 수납부가 장방형 프레임의 양쪽 대향면에 형성되어 있고, 각 전지 수납부는 동일면 상의 인접 전지 수납부와 연통될 수 있도록 적어도 일부가 개방되어 있는 것으로 구성된 스페이서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 수납부의 상단과 하단에는, 단위전지들이 안정적으로 고정될 수 있도록, 반 원통형의 내부 원주 면을 따라 단위전지의 상단면과 하단면을 향해 돌출되어 있는 덮개가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스페이서.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 덮개는, 전지 수납부에 단위전지가 장착되었을 때, 상기 단위전지의 상단면과 하단면에 대응하여 전지 수납부의 반 원통형 내부 원주 면으로부터 판상의 U자(말발굽)형 구조로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 스페이서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 개방되어 있는 부위(개방부)는 전지 수납부의 중간 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스페이서.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 개방부가 프레임의 두께와 동일하도록 별도의 높이 를 갖지 않는 것을 특징으로 하는 스페이서.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 수납부는 프레임의 대향면에 형성되어 있는 전지 수납부와 연통되는 관통구('제 1 관통구')를 포함하고 있고 있는 것을 특징으로 하는 스페이서.
  7. 제 1 항에 있어서, 프레임의 동일면 및 대향면에서 서로 인접한 4 개의 전지 수납부들이 교차하는 부위에 수직 관통로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스페이서.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 수직 관통로 에는 단위전지들의 온도를 측정하기 위한 써미스터를 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 스페이서.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 써미스터가 설치되는 수직 관통로는 다수의 개방부 중 프레임의 대향면들이 상호 연통되도록 천공되어 있는 개방부에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 스페이서.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나에 따른 스페이서를 포함하는 것으로 구성된 전지모듈.
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