KR20160049512A

KR20160049512A - ２차 전지 케이스

Info

Publication number: KR20160049512A
Application number: KR1020160027292A
Authority: KR
Inventors: 조희근; 임철우
Original assignee: 안동대학교 산학협력단; 한국과학기술원
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2016-05-09

Abstract

복수 개의 2차 전지 셀(cell)이 모여 이루어진 2차 전지 셀 스택(stack)을 내부에 수용하여 보호하는 2차 전지 케이스가 개시된다. 개시된 2차 전지 케이스는, 복수의 2차 전지 셀의 하단부가 하나씩 삽입되는 곳으로, 서로 이격된 복수의 셀 안착 홈이 상측면에 형성된 바닥판, 복수의 2차 전지 셀을 에워싸며 바닥판에 고정된 케이스 벽, 및 복수의 2차 전지 셀의 상단을 고정하는 것으로, 복수의 2차 전지 셀의 상단부가 하나씩 끼워지는 복수의 셀 장착공이 서로 이격되게 형성되고, 케이스 벽에 고정 결합되는 상단 홀더를 구비한다.

Description

２차 전지 케이스{Secondary battery case}

본 발명은 2차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수 개의 2차 전지 셀(cell)이 모여 이루어진 2차 전지 셀 스택(stack)을 내부에 수용하여 보호하는 2차 전지 케이스에 관한 것이다.

2차 전지는 방전과 충전을 반복하는 전지로서, 모바일 폰(mobile phone)과 같은 소형 전자기기에서부터 자동차, 인공위성과 같은 큰 장치에도 적용된다. 자동차, 인공위성과 같은 장치에 적용되는 2차 전지는 복수 개의 2차 전지 셀(cell)을 전기적으로 연결하고 하나로 모아 스택(stack)을 형성하여 높은 전압, 큰 전력, 및 긴 사용 시간을 충족시키려 하고 있다.

도 1은 종래의 2차 전지의 일 예를 도시한 사시도로서, 도 1을 참조하면, 종래의 2차 전지(1)는 복수의 2차 전지 셀(cell)(3)과, 이들을 에워싸는 케이스(5)를 구비한다. 2차 전지 셀(3) 각각은 일정한 규격의 직육면체 형태이며, 일렬로 밀착되어 스택(stack)을 형성하고 있다. 상기 2차 전지(1)는 인공 위성 내의 각종 장치에 전력을 공급하는데 사용된다.

그런데, 상기 2차 전지(1)는 인접한 2차 전지 셀(3)이 빈틈없이 서로 밀착되어 2차 전지 셀이 충전 및 방전 과정에서 부풀어 올라 성능 저하 또는 고장이 발생될 수 있고 폭발 등 안전상 위험이 발생될 수도 있다. 이러한 문제는 압력이 극히 낮고, 일출 여부에 따라 심한 온도 차가 발생하는 인공 위성의 극한 작동 환경에서 더욱 심각하다.

대한민국 등록특허공보 제10-0501416호 대한민국 등록특허공보 제10-1051446호

본 발명은, 복수의 2차 전지 셀로 이루어진 스택(stack)을 내부에 수용하여 보호하고, 이웃한 2차 전지 셀 간에 적절한 간격을 유지시켜 주어 2차 전지 셀이 팽창할 수 있는 여유 공간을 제공하고 방열을 촉진하는 2차 전지 케이스를 제공한다.

본 발명은, 세워진 상태로 행렬을 이루며 배열된 복수의 2차 전지 셀을 내부 공간에 수용하는 것으로, 상기 복수의 2차 전지 셀의 하단부가 하나씩 삽입되는 곳으로, 서로 이격된 복수의 셀 안착 홈이 상측면에 형성된 바닥판, 상기 복수의 2차 전지 셀을 에워싸며 상기 바닥판에 고정된 케이스 벽, 및 상기 복수의 2차 전지 셀의 상단을 고정하는 것으로, 상기 복수의 2차 전지 셀의 상단부가 하나씩 끼워지는 복수의 셀 장착공이 서로 이격되게 형성되고, 상기 케이스 벽에 고정 결합되는 상단 홀더를 구비하는 2차 전지 케이스를 제공한다.

상기 상단 홀더는, 서로 교차하도록 직선 연장되어 상기 복수의 셀 장착공을 한정하는 복수의 제1 빔(beam) 및 제2 빔, 및 상기 제1 빔 또는 상기 제2 빔 중 적어도 하나에서 상기 복수의 셀 장착공 내측으로 돌출된 걸림턱을 구비하고, 상기 복수의 2차 전지 셀의 상단 외주 모서리에 상기 걸림턱이 걸려 상기 상단 홀더가 낙하하지 않도록 구성될 수 있다.

본 발명의 2차 전지 케이스는, 상기 상단 홀더의 외측 단부가 볼트(bolt)에 의해 상기 케이스 벽에 고정 결합되고, 상기 볼트의 헤드(head)와 상기 상단 홀더의 외측 단부 사이에 스프링(spring)이 개재되도록 구성될 수 있다.

상기 스프링은 내주부가 외주부보다 돌출된 링(ring) 형상의 와셔 스프링일 수 있다.

상기 상단 홀더는, 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene) 수지로 이루어지거나, 표면에 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene) 수지가 코팅(coating)된 금속으로 이루어질 수 있다.

상기 바닥판은, 금속으로 이루어지거나, 표면에 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene) 수지가 코팅(coating)된 금속으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 2차 전지 케이스는, 상기 케이스 벽의 상단에 결합되어 상기 내부 공간을 폐쇄하는 것으로, 상기 복수의 2차 전지 셀의 충전 및 방전을 제어하는 회로가 구현된 제어 PCB가 탑재되는 PCB 데크(deck)를 더 구비할 수 있다.

본 발명에 따르면, 2차 전지 셀의 스택(stack)이 2차 전지 케이스의 내부서 견고하게 고정된 상태로 수용되고, 이웃한 2차 전지 셀이 균일한 간격으로 이격된다. 따라서, 2차 전지 셀이 충전 및 방전 과정에서 부풀더라도 여유 공간이 마련되어 성능 저하, 고장, 폭발 등이 예방되며, 방열이 촉진된다.

또한, 바닥판에 복수의 2차 전지 셀을 탑재하고, 케이스 벽을 바닥판에 고정하고, 상단 홀더를 케이스 벽에 고정하는 순서로, 소위 바텀-업(bottom-up) 방식으로 2차 전지를 조립할 수 있어 조립이 쉽고, 조립 생산성이 향상되며, 조립된 2차 전지의 제품 신뢰성이 향상된다.

또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 2차 전지 셀을 고정하는 상단 홀더가 스프링(spring)에 의해 케이스의 외벽에 대해 완충되도록 구성되어 외부 충격으로 인한 2차 전지 셀의 손상을 억제하고 진동을 완화한다.

또한 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 바닥판이 방열을 촉진하여 2차 전지 셀의 내구성과 안전성이 향상된다.

도 1은 종래의 2차 전지의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 2차 전지 케이스와, 그 내부에 설치되는 2차 전지 셀 스택(stack)을 도시한 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4는 도 2에서 제1 내지 제3 PCB 데크(deck)와 커버(cover)를 제외한 부분의 사시도 및 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 2차 전지 케이스 내부에 2차 전지 셀 스택을 고정하기 위한 구성을 분해 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5의 상단 홀더를 아래에서 위로 보고 도시한 사시도이다.
도 7은 도 5의 와셔 스프링(washer spring)을 도시한 종단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 2차 전지 케이스를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 2차 전지 케이스와, 그 내부에 설치되는 2차 전지 셀 스택(stack)을 도시한 분해 사시도이고, 도 3 및 도 4는 도 2에서 제1 내지 제3 PCB 데크(deck)와 커버(cover)를 제외한 부분의 사시도 및 평면도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 2차 전지 케이스 내부에 2차 전지 셀 스택을 고정하기 위한 구성을 분해 도시한 사시도이다. 도 2 내지 도 5를 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 2차 전지 케이스(10)는 한 쌍의 전극(2, 3)이 상측면에서 위로 돌출되도록 세워진 상태로 4×2 행렬을 이루며 배열된 8개의 2차 전지 셀(1)을 내부 공간에 수용하는 것으로, 바닥판(11), 케이스 벽(20), 상단 홀더(30), 제1 내지 제3 PCB 데크(deck)(50, 60, 70), 및 커버(80)를 구비한다.

바닥판(11)은 상측면에 8개의 2차 전지 셀(1)의 하단부가 하나씩 삽입되는 8개의 셀 안착 홈(13)이 형성된다. 8개의 셀 안착 홈(13)은 이웃한 셀 안착 홈(13)과 균일한 간격으로 이격되고, 4×2 행렬을 이루며 배열된다. 8개의 셀 안착 홈(13)은 바닥판(11)의 상측면에서 돌출되어 Y축과 평행하게 연장된 복수의 제1 리브(rib)(15)와, 바닥판(11)의 상측면에서 돌출되어 상기 제1 리브(15)와 교차하도록 X축과 평행하게 연장된 복수의 제2 리브(16)에 의해 한정된다.

케이스 벽(20)은 8개의 2차 전지 셀(1)을 에워싸며 바닥판(11)의 외주부에 고정되는 것으로, 8개의 2차 전지 셀(1)이 사이에 들어갈 수 있는 간격으로 이격되고 서로 평행하게 세워진 한 쌍의 제1 벽부(21)와, 상기 제1 벽부(21)와 직교하며 8개의 2차 전지 셀(1)이 사이에 들어갈 수 있는 간격으로 이격되고 서로 평행하게 세워진 한 쌍의 제2 벽부(25)를 구비한다. 케이스 벽(20)의 횡단면은 제1 벽부(21)의 측단과 제2 벽부(25)의 측단이 결합되면서 제1 벽부(21)와 제2 벽부(25)가 교번하여 이어지며 4각형을 형성한다. 제1 벽부(21)와 제2 벽부(25)의 내주면에는 상단 홀더(30)의 외측 단부에 마련된 결합부(36)와 볼트(bolt)(45)에 의해 밀착 결합되고, 상기 결합부(36)를 지지하는 볼트 체결부(22, 26)가 내측으로 돌출되게 형성된다.

도 6은 도 5의 상단 홀더를 아래에서 위로 보고 도시한 사시도이고, 도 7은 도 5의 와셔 스프링(washer spring)을 도시한 종단면도이다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 상단 홀더(30)는 8개의 2차 전지 셀(1)의 상단을 고정하는 것으로, 8개의 2차 전지 셀(1)의 상단부가 하나씩 끼워지는 8개의 셀 장착공(38)이 형성된다. 8개의 셀 장착공(38)은 이웃한 셀 장착공(38)과 균일한 간격으로 이격되고, 4×2 행렬을 이루며 배열된다. 8개의 셀 장착공(38)은 Y축과 평행하게 연장된 복수의 제1 빔(beam)(31)과, 상기 제1 빔(31)와 교차하도록 X축과 평행하게 연장된 복수의 제2 빔(32)에 의해 한정된다.

상단 홀더(30)는 제1 빔(31)의 상단에서 셀 장착공(38) 내측으로 수평 돌출된 걸림턱(34)을 더 구비한다. 따라서, 바닥판(11)(도 2 참조)의 8개의 셀 안착 홈(13)에 8개의 2차 전지 셀(1)을 하나씩 끼우고, 케이스 벽(20)을 바닥판(11)에 고정 결합하고, 8개의 2차 전지 셀(1)이 8개의 셀 장착공(38)에 하나씩 끼워지도록 상단 홀더(30)를 8개의 2차 전지 셀(1)과 정렬하여 하강시키면 8개의 2차 전지 셀(1)의 상단 외주 모서리에 걸림턱(34)이 걸려 상단 홀더(30)가 더 이상 낙하하지 않게 된다. 이때 제1 빔(31)은 2차 전지 셀(1)의 옆면(6) 상단부에 접촉되고, 제2 빔(32)은 2차 전지 셀(1)의 앞면(5) 상단부에 접촉된다. 4×2 행렬에서 같은 열에 배열된 이웃한 2차 전지 셀(1) 사이의 간격은 제2 빔(32)의 폭으로 균일하게 맞춰진다.

상단 홀더(30)가 8개의 2차 전지 셀(1)에 정렬되어 탑재되면, 상단 홀더(30)의 외측 단부에서 바깥으로 돌출된 복수의 결합부(36)는 복수의 볼트 체결부(22, 26)에 지지되며, 볼트(45)의 스크류 보디(screw body)(48)가 결합부(36)와 볼트 체결부(22, 26)를 관통하도록 볼트(45)를 체결함으로써 상단 홀더(30)가 케이스 벽(20)에 고정된다. 상단 홀더(30)가 케이스 벽(20)의 내부 공간에서 고정됨으로써 4×2 행렬로 배열된 2차 전지 셀(1) 스택(stack)의 외곽면과 케이스 벽(20)의 내측면 사이가 이격된 채 유지된다.

볼트(45)로 결합부(36)와 볼트 체결부(22, 26)를 체결하기에 앞서서 결합부(36)의 상측에는 와셔 스프링(washer spring)(40)이 놓여진다. 이에 따라 볼트(45)에 의해 결합부(36)와 볼트 체결부(22, 26)가 체결된 때 볼트(45)의 헤드(head)(46)와 결합부(36) 사이에 와셔 스프링(40)이 개재된다. 도 5 및 도 7을 함께 참조하면, 와셔 스프링(40)은 중앙에 볼트(45)의 스크류 보디(48)가 관통하는 통공(41)이 형성된 링(ring) 형상의 판 스프링으로, 내주면(42) 주변의 내주부가 외주면(43) 주변의 외주부보다 위로 돌출된다. 따라서, 상단 홀더(30)의 결합부(36)는 와셔 스프링(40)에 의해 볼트 체결부(22, 26)의 상측면에 강하게 밀착되도록 탄성 바이어스(elastic bias)된다. 따라서, 2차 전지 케이스(10)(도 2 참조)의 외부에서 강한 충격이나 진동이 발생하더라도 와셔 스프링(40)에 의해 상단 홀더(30)와 2차 전지 셀(1)에 충격이나 진동이 완충되어 전달된다.

상기 상단 홀더(30)는 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene) 수지로 이루어지거나, 표면이 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene) 수지로 코팅(coating)된 금속으로 이루어질 수 있다. 금속은 예컨대, 알루미늄(Al)일 수 있다. 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene) 수지는 델린(delrin)이라는 상품명으로도 호칭되는 수지로서, 강성으로 인해 이웃한 2차 전지 셀(1)을 이격된 상태로 움직이지 않게 고정시킬 수 있고, 절연성으로 인해 2차 전지 셀(1)의 단선(short), 누전 등의 사고를 예방할 수 있다. 또한, 탄성으로 인해 외부 충격을 완충하여 8개의 2차 전지 셀(1)을 보호할 수 있다. 한편, 상단 홀더(30)가 표면에 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene) 수지가 코팅된 금속 소재로 형성된 경우에는 금속의 열전도 특성으로 인해 2차 전지 케이스(10) 내부 공간의 방열에 도움을 줄 수 있다.

바닥판(11)과 케이스 벽(20)은 구조적 강성을 유지하고 방열을 촉진하도록 예컨대, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금과 같은 금속으로 이루어질 수 있다. 특히, 바닥판(11)은 표면에 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene) 수지가 코팅된 금속 소재로 형성될 수도 있다. 이 경우 바닥판(11)이 구조적 강성을 유지하고 방열을 촉진할 뿐 아니라, 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene) 수지의 탄성으로 인해 바닥판(11)으로부터 내부로 전달되는 외부 충격을 완충하여 8개의 2차 전지 셀(1)을 보호할 수 있다.

제1 PCB 데크(deck)(50)는 케이스 벽(20)의 상단 엣지(edge)에 결합되어 2차 전지 케이스(10)의 내부 공간을 폐쇄한다. 제2 PCB 데크(60)는 제1 PCB 데크(50)의 상단 엣지에 결합되어 제1 PCB 데크(deck)(50)의 내부 공간을 폐쇄하며, 제3 PCB 데크(70)는 제2 PCB 데크(60)의 상단 엣지에 결합되어 제2 PCB 데크(deck)(60)의 내부 공간을 폐쇄한다. 커버(80)는 제3 데크(70)의 상단 엣지에 결합되어 제3 PCB 데크(70)의 내부 공간을 폐쇄한다. 제1, 제2, 및 제3 PCB 데크(50, 60, 70)와 커버(80)는 구조적 강성 유지와 방열 촉진을 위해 예컨대, 알루미늄(Al), 알루미늄 합금과 같은 금속으로 이루어질 수 있다.

제1, 제2, 및 제3 PCB 데크(50, 60, 70)의 내부 공간에는 8개의 2차 전지 셀(1)의 충전 및 방전을 제어하는 회로가 구현된 제어 PCB(85, 86, 87)가 하나씩 탑재된다.

기능에 따라 상기 PCB(85, 86, 87)를 구체적으로 구분하면, 제1 PCB(85)는 전지 셀 균등화 모듈(CEM: cell equalization module), 제2 PCB(86)는 주된 전지 제어 모듈(PBCM: primary battery control module), 그리고 제3 PCB(87)는 보조 전지 제어 모듈(RBCM: redundant battery control module)이다.

CEM(85)은 8개의 2차 전지 셀(1)을 균일하게 충전하는 기능을 수행한다. PBCM(86)과 RBCM(87)은 CEM(85)을 제어하고 8개의 2차 전지 셀(1)의 상태를 파악하는 기능을 수행한다. 또한, 예컨대, 인공 위성과 같은 2차 전지에서 전력을 공급받는 장치에 탑재된 컴퓨터(computer)와 전기 신호를 통신한다. 도 2에서는 복수의 2차 전지 셀(1)의 충전 및 방전을 제어하는 회로가 제1 내지 제3 PCB(85, 86, 87)로 분리되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 복수의 2차 전지 셀(1)의 충전 및 방전을 제어하는 회로가 하나로 통합되어 2차 전지 케이스의 상단 또는 일 측에 부착될 수도 있고, 2차 전지 케이스와 분리되어 존재할 수도 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

1: 2차 전지 셀 10: 2차 전지 케이스
11: 바닥판 20: 케이스 벽
30: 상단 홀더 40: 와셔 스프링
50, 60, 70: PCB 데크 80: 커버

Claims

세워진 상태로 행렬을 이루며 배열된 복수의 2차 전지 셀을 내부 공간에 수용하는 것으로,
상기 복수의 2차 전지 셀의 하단부가 하나씩 삽입되는 곳으로, 서로 이격된 복수의 셀 안착 홈이 상측면에 형성되며 금속 재질의 바닥판; 상기 복수의 2차 전지 셀을 에워싸며 상기 바닥판에 고정되며 금속 재질의 케이스 벽; 상기 복수의 2차 전지 셀의 상단을 고정하는 것으로, 상기 복수의 2차 전지 셀의 상단부가 하나씩 끼워지는 복수의 셀 장착공이 서로 이격되게 형성되고, 상기 케이스 벽에 고정 결합되는 상단 홀더; 상기 2차 전지 셀의 충전 및 방전을 제어하는 회로가 구성된 제어 PCB들; 및 상기 제어 PCB들이 각각 고정 탁재되며 복수층으로 적층된 복수의 PCB 데크들;을 구비하고,
상기 상단 홀더는, 적어도 표면이 폴리옥시 메틸렌 수지로 이루어지고,
상기 제어 PCB들은, 2 차 전지 셀들을 균등하게 충전하는 전지 셀 균등화 모듈을 이루는 제1 PCB와, 상기 전지 셀 균등화 모듈을 제어하고 상기 2차 전지 셀들로부터 전력을 공급받는 장치와 신호를 통신하는 주된 전지 제어 모듈을 이루는 제2 PCB와, 상기 2차 전지 셀들의 상태를 파악하는 보조 제어 모듈을 이루는 제3 PCB를 포함하고,
상기 PCB 데크들은, 상기 제1, 2, 3PCB 중 하나를 탑재하면서 상기 케이스 벽의 상단 엣지에 결합되는 제1 PCB데크와, 상기 제1, 2, 3PCB 중 상기 제1 PCB데크에 탑재되지 않은 PCB 중 하나를 탑재하면서 상기 제1 PCB의 상단 엣지에 결합되는 제2 PCB데크와, 상기 제1, 2, 3 PCB 중 상기 제1, 2 PCB 데크에 탑재되지 않는 하나를 탑재하면서 상기 제2 PCB의 상단 엣지에 결합되는 제3 PCB데크를 포함하며,
상기 제1, 2, 3 PCB데크는 금속 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 2차 전지 케이스.