KR20110134725A - 전지스택의 전원단 연결구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부스바를 통해 복수개의 집전스택을 전기적으로 연결하는 구조에 관한 것으로, 구체적으로는 부스바 표면 상에 별도의 절연층을 구비시킴에 따라, 외부와의 불필요한 접촉에 의해 부스바 상에서 쇼트현상이 발생되는 것을 방지함은 물론, 절연층의 구비위치를 제한함에 따라 절연부재의 절감 및 효과적인 절연효과를 얻을 수 있는 전지스택의 전원단 연결구조에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 복수개의 단위전지셀이 설치되고 일측에는 전원단자부가 구비된 복수개의 집전스택과, 복수개의 체결공이 길이방향을 따라 형성되고 각 체결공이 각 집전스택의 전원단자부마다 끼워져 각 집전플레이트를 연결하는 부스바를 포함하되, 상기 부스바의 표면상에는 별도의 절연층이 구비된 것을 특징으로 한다.

Description

전지스택의 전원단 연결구조 {Connecting structure of battery stack}
본 발명은 전지스택의 전원단 연결구조로서, 특히 복수개의 전지가 연결 설치된 각 집전스택을 부스바를 통해 상호 연결시키는 전지스택 간 연결구조에 관한 것이다.
근대 사회에 들어 각종 모바일 기기의 보급이 활발해짐에 따라 그 구동전원으로 사용되는 이차 전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
상기 이차 전지는 크게 니켈-카드뮴전지와 니켈-수소전지, 니켈-아연전지 및 리튬전지로 나누어지고, 기본적으로 양극과 음극 사이에 분리막이 위치된 젤리/롤 형태의 전극조립체가 각형이나 원형의 전지케이스 내부에 밀봉된 구조로 이루어진다.
이러한 이차 전지는 사용분야에 따라 단수 또는 복수개로 적용되어 사용되는데, 일반적인 핸드폰처럼 저출력의 전기가 필요한 제품에는 하나의 전지가 사용되는 반면, 이동성이 요구되고 고출력의 전기가 필요한 중소형 산업기계 같은 경우 여러 개의 전지, 즉 단위전지셀들을 상호 연결하여 집전시키는 구조의 전지스택(battery stack)이 사용되며, 이러한 전지스택은 또다시 여러개 연결되어 집전됨에 따라 하나의 대용량 고출력 전지구조를 이루게 된다.
이때 각 전지스택은 별도의 집전케이스에 복수개의 전지들을 상호 연결시킨 상태로 설치된 구조로 이루어지고 각 전지스택 간 연결은 별도의 부스바(bus bar)를 통해 연결된다.
그리고 상기 전지스택과 부스바의 연결구조는 집전케이스에 구비된 전원단자부에 부스바의 단부가 볼트 등을 통해 결합되는 구조로 이루어진다.
그런데 이렇게 설치된 부스바는 자체표면 전체가 외부로 노출된 상태로 위치되기 때문에 각 집전스택을 연결하거나 연결 후 집전하는 과정에서 별도 외부 도전체와의 불필요한 접촉이 이루어질 경우 전원단자부와 부스바 간에 쇼트가 발생될 우려가 크다.
또한 집전과정에서 부스바 자체적으로 발열이 이루어지는데, 주변에 타 배선기기 등이 밀집되어 있는 경우 이러한 부스바의 발열이 악영향을 미칠 우려도 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 기본적으로 부스바 자체적으로 표면 절연구조를 구비시킴에 따라 전지스택과의 연결불량이나 불필요한 외부접촉 등으로 인한 쇼트현상을 방지함과 동시에 자체 발열에 의한 외부 악영향 현상도 방지할 수 있는 전지스택의 전원단자부 연결구조를 제안하고자 한다.
더불어 외부환경 및 집전스택의 전원단자부와의 연결구조에 따라 절연재의 형성위치 및 형성구조를 다양하게 변형 적용함에 따라 효율적인 절연 효과를 얻을 수 있는 전지스택의 전원단자부 연결구조를 제안하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 복수개의 단위전지셀이 설치되고 일측에는 전극단자부가 구비된 복수개의 집전스택을 포함하는 집전케이스와; 복수개의 체결공이 길이방향을 따라 형성되고 각 체결공이 상기 전극단자부마다 끼워져 연결되는 부스바를 포함하되, 상기 부스바의 표면상에는 별도의 절연층이 구비된 것을 특징으로 하는　전지스택의 전원단 연결구조를 제공한다.
또한, 본 발명에서 상기 전원단자부는 각 전지단위셀의 전극과 연결된 상태에서 부스바 내측면이 접촉되는 연결패널과, 상기 연결패널과 연결되고 집전스택으로부터 돌출되어 부스바의 체결공에 관통되는 체결부재로 구성되고, 상기 체결부재가 체결공을 관통한 단부에 별도의 고정부재가 결합되어 있다.
또한, 본 발명에서 상기 체결부재의 단부는 나사산이 형성된 체결돌기이며, 상기 체결부재는 볼트이고, 상기 고정부재는 너트인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 부스바 내측면이 접촉되는 연결패널에는 접촉판이 구비되어 상기 부스파와 접촉될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에서 상기 절연층은 부스바 중 연결패널과 마주보는 내측면 상에 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 절연층은 부스바 내측면 중 접촉판과의 접촉구간을 제외한 타 구간에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 절연층은 부스바 중 너트부재와 마주보는 외측면 상에 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 절연층은 부스바 외측면 중 너트부재와의 접촉구간을 제외한 타 구간에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 절연층은 부스바의 체결공 내주면 상에 구비될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 절연층은 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리에스터(polyester), 폴리아마이드(polyamid) 또는 우레탄(urethane)의 어느 하나의 물질을 코팅하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 특징적 구성으로 이루어진 본 발명은 부스바 표면상에 절연층이 구비됨에 따라 기본적으로 집전스택의 전원단자부 전극이 잘못 연결되거나 별도 외부 도전체와의 불필요한 접촉이 발생되더라도 순간적인 쇼트현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한 집전과정에서 발생되는 자체발열의 외부방출을 차단할 수 있음에 따라 발열에 의한 주변기기의 성능저하 현상도 방지할 수 있는 장점이 있다.
그리고 외부환경 및 집전스택과의 연결구조에 따라 절연층을 부스바 내측면이나 외측면, 또는 체결공 내에만 국한되어 형성됨에 따라 절연재 절감효과 및 효율적인 쇼트방지효과를 얻을 수 있는 장점도 있다.
도 1a는 집전스택의 전원단자부에 부스바가 결합된 상태를 나타낸 일부확대 사시도.
도 1b는 부스바상에 전열층이 형성된 모습을 나타낸 사시도.
도 2는 각 집전스택의 전원단자부가 부스바를 통해 연결된 상태를 나타낸 개략도.
도 3은 부스바와 전원단자부 간 결합구조 및 절연층이 부스바 내외측면 상에 구비되되 접촉판과의 연결구간을 제외한 나머지 전체구간 상에 구비된 상태를 나타낸 일부확대 단면도.
도 4는 절연층이 부스바의 내측면 상에 구비되되 접촉판재와의 연결구간을 제외한 나머지 구간 상에 구비된 상태를 나타낸 일부확대 단면도.
도 5는 절연층이 부스바의 내측면 상에만 구비된 경우를 나타낸 일부확대 단면도.
도 6은 절연층이 부스바의 외측면 상에만 구비된 경우를 나타낸 일부확대 단면도.
이하에서는 도면에 예시된 구성을 참조하여 본 발명의 구체적인 구성 및 그 작용에 대한 여러 실시예를 설명하도록 한다.
본 발명 전지스택의 전원단자부 연결구조는 [도 1a] 및 [도 3]에 도시된 것처럼 크게 전지스택(100)과 부스바(200) 및 절연층(300)으로 구성된다.
먼저 상기 전지스택(100)은 각각의 전지(이하 ‘전지단위셀(110)’이라 함)간 직접연결이 이루어져 최초 단위집전이 이루어지는 부분으로, 복수개의 전지단위셀(110)과 집전케이스(120)로 구성된다.
상기 집전케이스(120)는 각 전지단위셀(110)들의 설치 및 전지단위셀(110)들 간의 최초 집전이 이루어지는 부분으로, 다시 설치본체(122)와 집전플레이트(124) 및 전원단자부(126)로 구성된다.
상기 설치본체(122)는 집전케이스(120)의 각 구성요소들이 설치되는 뼈대역할을 하는 것으로, 내부에는 각 전지단위셀(110)들이 설치되는 설치공간이 형성되고 설치공간의 내벽 상에는 각 전지단위셀(110)들의 전기적 연결을 위한 집전플레이트(124)가 설치된다.
이러한 설치본체(122)에는 일반적으로 10개의 전지단위셀(110)들이 설치되는데, 물론 원하는 집전효율에 따라 전지단위셀(110)의 수용량을 변경하여 제작할 수도 있다.
그리고 상기 집전플레이트(124)는 각 전지단위셀(110)들의 동일전극끼리 연결하기 위해 각 전극별로 분할되어 설치된다. 이러한 집전플레이트(124)는 집전효율이 높은 니켈(Ni)재질을 사용하되 집전플레이트의 재질 또한 이에 한정되지 않고 다양하게 선택 적용할 수 있다.
　그리고 집전플레이트(124)의 일측에 설치되는 전원단자부(126)는 집전플레이트(124)를 통해 집전된 전기가 해당 전지스택의 출력부 역할을 하는 것으로,
판재형태의 연결패널(126a)이 해당 집전플레이트(124) 일측 외벽에 접촉되도록 설치되고 연결패널(126a) 일측에는 후술하는 부스바(200)와 직접적인 접촉이 이루어지는 접촉판(126b)이 일체로 구비되며, 접촉판(126b) 외측면 중앙에는 부스바(200)와의 결합을 위한 체결돌기(126c)가 구비되어 설치케이스(122)로부터 외부로 돌출되도록 위치된다.
이때 체결돌기(126c)의 단부에는 나사산(s)이 형성되어 별도의 너트부재(N)와 결합될 수 있도록 한다.
이러한 전원단자부(126)는 별도의 고정볼트(127)를 통해 연결패널(126a)이 설치본체(122) 상에 고정되는 형태로 설치된다.
그리고 이상 설명한 집전케이스(120)에 설치되는 전지단위셀(110)은 일반적인 이차 전지가 사용되며 원형이나 각형구조로 적용될 수 있으며, 설치본체()의 설치공간 내에 배열된 상태에서 양 전극이 각 집전플레이트(124)에 접촉된 상태로 설치된다.
이렇게 구성된 전지스택(100)은 [도 2]와 같이 복수개 배열된 상태에서 상호 연결되어 각 전지스택(100) 간 집전이 이루어지게 되는데, 이때 각 전지스택(100) 간 연결은 별도 부스바(200)를 통해 이루어진다.
상기 부스바(200)는 위에서 언급한 것처럼 각 전지스택(100)을 전기적으로 연결하여 최종집전 기능을 하는 것으로, 참고적으로 부스바(200)는 일반적인 전선케이블에 비해 전기전달 량이 많고 유지보수가 간편한 장점으로 인해 최근 들어 각종 배선장치에 많이 적용되고 있는 부품이다.
이러한 부스바는 [도 1a]에 도시된 것처럼 단순 금속막대 형태이며 구리(Cu)나 알루미늄(Al)재가 사용되며 연결하고자 하는 전지스택의 개수에 따라 다양한 길이로 제작된다.
그리고 부스바(200) 상에는 각 전지스택(100)의 전원단자부(126)와의 체결을 위한 체결공(210)이 길이방향을 따라 간격을 두고 형성되며, 체결공(210)의 형성개수도 연결하고자 하는 전지스택의 개수에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
또한 부스바에 적용되는 허용전류는 단위면적(1square)당 약 1.5 내지 2암페어(ampere)가 되는데, 물론 이는 전체적인 집전 및 출력용량에 따라 얼마든지 변형될 수 있다.
이러한 부스바(200)는 [도 3]에 도시된 바와 같이 체결공(210)에 해당 전지스택(100)의 전원단자부(126) 체결돌기(126c)가 관통됨에 따라 1차결합이 이루어지고, 체결공(210)을 관통한 체결돌기(126c)의 나사산(s)에 별도 너트부재(N)가 결합됨에 따라 고정결합이 이루어진다.
이 상태에서 너트부재(N)를 조이면 부스바(200)의 내측면(201)이 전원단자부(126)의 접촉판(126b)과 접촉되어 전기적 연결이 이루어진다.
이때 본 발명에서는 [도 1a]와 [도 3]내지 [도 6]에 도시된 것처럼 이러한 부스바(200)의 표면상에 별도의 절연층(300)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는데, 상기 절연층(300)은 부스바 자체적으로 절연기능이 부가되도록 하여 외부접촉 등으로 인한 쇼트현상을 방지하기 위한 것이다.
이러한 절연층(300)은 절연물질을 이용해 부스바(200) 표면상에 위치되는데, 이때 절연층(300)에 사용되는 절연물질은 대표적인 절연재인 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC)가 사용될 수 있으며, 이 외에도 폴리에스터(polyester)나 폴리아마이드(polyamid), 우레탄(urethane)처럼 고분자형태의 물질을 사용할 수 있다. 이 외에도 자체적으로 절연기능과 방열 차단기능을 갖는 재질 중에서 선택적으로 적용할 수 있다.
이러한 절연층(300)은 수지형태로 제작되어 부스바(200) 표면 상에 코팅형태로 구비되거나, 별도의 튜브형태로 제작되어 부스바(200)가 끼워지는 구조, 또는 디핑(dipping)방법과 같이 다양한 방식으로 구비될 수 있다.
　이때 절연층(300)의 구비형태는 다양하게 변형될 수 있는데, 먼저 기본적으로 [도 3]에 도시된 것처럼 부스바(200) 전체면적, 즉 내?외측면(201)(202)상에 모두 형성되되 내측면(201) 중 접촉판(126b)과의 접촉구간(A)에는 구비되지 않도록 하여 상호간 전기적 연결이 원활하게 이루어지도록 한다.
이렇게 절연층(300)이 부스바(200) 내측면(201)과 외측면(202)전체를 감싸는 형태로 형성됨에 따라 각 전지스택(100)이 연결된 상태에서 부스바(200)에 내측면(201) 또는 외측면(202)에 외부물체가 불필요하게 접촉되더라도 쇼트현상이 방지된다.
또한 집전과정에서 부스바(200) 자체적으로 발열이 발생되더라도 절연층(300)이 열발산을 차단하기 때문에 주변기기에 영향을 미치는 것을 차단할 수 있게 된다.
절연층(300)의 구비형태는 상기 구조 외에도 [도 4]와 같이 부스바(200) 내측면(201)에만 구비시킬 수도 있는데, 이 때에도 부스바(200) 내측면 중 접촉판(126b)과의 접촉구간(A)을 제외한 지점에만 형성된다.
이렇게 절연층(300)이 부스바 내측면(201) 상에만 형성되는 경우는 부스바와 기타 외부물체와의 불필요한 접촉가능성이 낮은 경우 적용될 수 있으며, 전지스택(100)을 연결하거나 분리하는 과정에서 전극불량 등으로 인한 쇼트 현상을 방지할 수 있게 된다.
그리고 [도 5]처럼 절연층(300)을 부스바(200) 외측면(202) 상에만 형성되도록 할 수도 있는데, 이 경우 체결공(210)을 제외한 나머지 외측면(202) 전체 구간에 형성된다.
이 경우는 전지스택(100)과의 결합불량보다는 부스바(200)와 외부물체와의 불필요한 접촉가능성이 클 경우 적용될 수 있다.
그런데 부스바(200)와 전원단자부(126) 간 전기적 연결은 부스바(200) 내측면(201)과 접촉판(126b) 간 직접적인 접촉 외에도 부스바(200)와 연결돌기(126c) 및 너트부재(N) 간 접촉에 의해서도 이루어지기 때문에, 상기와 같이 절연층(300)을 부스바(200) 외측면(202) 상에 형성시킬 경우 도면과 같이 부스바(200) 외측면(202) 중 너트부재(N)와의 접촉구간(B)을 제외한 지점에만 형성시킴에 따라 전원단자부(126)의 접촉판(126b)과 부스바(200) 내측면(201) 간 접촉불량이 발생되더라도 부스바(200) 외측면(202)과 너트부재(N) 간 접촉에 의해 접점이 유지될 수 있게 된다.
이 외에도 [도 6]과 같이 부스바(200)의 체결공(210) 내주면 상에만 절연층(300)을 구비시킬 수도 있는데, 이 경우는 실수로 전원단자부(126) 전극이 바뀐 상태에서 해당 전지스택(100)을 부스바와 결합시키는 과정 중 최초 접촉돌기(126c)가 체결공(210)에 끼워졌을 때 체결공(210) 내주면과 접촉돌기(126c) 간 쇼트현상을 방지할 수 있게 된다.
물론 이 경우 부스바 내측면과 외측면 상에도 절연층이 구비될 수 있으며, 이때에도 부스바와 접촉판(126b)간 접촉구간과 부스바(100)와 너트부재(N)간 접촉구간 상에는 구비되지 않도록 하여 정상적인 연결 시 원활한 전기전도가 이루어질 수 있도록 한다.
이처럼 본 발명은 전지스택을 연결하는 부스바 표면에 별도의 절연층을 형성시킴에 따라, 기본적으로 외부와의 불필요한 접촉이나 전지스택과의 접촉불량등에 의한 쇼트현상을 방지함은 물론 절연층의 구비 위치를 다양하게 변형하여 효과적인 절연효율을 얻을 수 있도록 한 것을 가장 큰 특징으로 한다.
이상 설명한 본 발명의 여러특징들은 당업자에 의해 다양하게 변형되고 조합되어 실시될 수 있으나, 이러한 변형 및 조합이 부스바를 통해 복수개의 전지스택을 연결하는 구조에 있어서 부스바 표면 상에 별도의 절연층을 구비시킴에 따라 설치 및 집전과정에서 발생될 수 있는 쇼트현상을 방지할 수 있도록 한 구성 및 목적과 관련이 있을 경우 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 판단되어야 한다.
100 : 집전스택　　　　　　　　　　　　　　 110 : 전지단위셀
120 : 집전케이스　　　　　　　　　　　　 122 : 설치본체
124 : 집전플레이트　　　　　　　　　　 126 : 전원단자부
126a : 연결패널　　　　　　　　　　　　　 126b : 접촉판
126c : 체결돌기　　　　　　　　　　　　　 200 : 부스바
210 : 체결공　　　　　　　　　　　　　　　　 300 : 절연층
N : 너트부재

Claims (11)

  1. 복수개의 단위전지셀이 설치되고 일측에는 전극단자부가 구비된 복수개의 집전스택을 포함하는 집전케이스와;
    복수개의 체결공이 길이방향을 따라 형성되고 각 체결공이 상기 전극단자부마다 끼워져 연결되는 부스바를 포함하되,
    상기 부스바의 표면상에는 별도의 절연층이 구비된 것을 특징으로 하는　전지스택의 전원단 연결구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전원단자부는 각 전지단위셀의 전극과 연결된 상태에서 부스바 내측면이 접촉되는 연결패널과, 상기 연결패널과 연결되고 집전스택으로부터 돌출되어 부스바의 체결공에 관통되는 체결부재로 구성되고,
    상기 체결부재가 체결공을 관통한 단부에 별도의 고정부재가 결합되는 것을 특징으로 하는 전지스택의 전원단 연결구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 체결부재의 단부는 나사산이 형성된 체결돌기인 것을 특징으로 하는 전지스택의 전원단 연결구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 체결부재는 볼트이고, 상기 고정부재는 너트인 것을 특징으로 하는 전지스택의 전원단 연결구조.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 부스바 내측면이 접촉되는 연결패널에는 접촉판이 구비되어 상기 부스파와 접촉되는 것을 특징으로 하는 전지스택의 전원단 연결구조.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 절연층은 부스바 중 연결패널과 마주보는 내측면 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 전지스택의 전원단 연결구조.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 절연층은 부스바 내측면 중 접촉판과의 접촉구간을 제외한 타 구간에 형성된 것을 특징으로 하는 전지스택의 전원단 연결구조.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 절연층은 부스바 중 너트부재와 마주보는 외측면 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 전지스택의 전원단 연결구조.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 절연층은 부스바 외측면 중 너트부재와의 접촉구간을 제외한 타 구간에 형성된 것을 특징으로 하는 전지스택의 전원단 연결구조.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 부스바의 체결공 내주면 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 전지스택의 전원단 연결구조.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리에스터(polyester), 폴리아마이드(polyamid) 또는 우레탄(urethane)의 어느 하나의 물질을 코팅하는 것을 특징으로 하는 전지스택의 전원단 연결구조.
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