KR20170028090A - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 배터리 팩이 개시된다. 상기 배터리 팩은, 배터리 셀과, 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 플레이트 부재와, 플레이트 부재를 관통하도록 조립되는 것으로, 길이 방향을 따라 플레이트 부재의 양편으로 형성된 걸림턱과 상기 플레이트 부재로부터 노출된 나사부를 갖는 나사 부재를 포함하고, 플레이트 부재와 나사 부재는 서로 다른 이종 금속으로 형성된 전극 단자를 포함한다.
본 발명에 의하면, 충, 방전 전류의 패스를 형성하며, 패스의 접속 포인트를 제공하는 전극 단자의 구조가 개선된 배터리 팩이 제공된다.

Description

배터리 팩{Battery pack}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것이다.
통상적으로 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 이차 전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거, 무정전 전원공급장치(uninterruptible power supply) 등의 에너지원으로 사용되며, 적용되는 외부기기의 종류에 따라 단일 배터리 셀의 형태로 사용되기도 하고, 다수의 배터리 셀들을 연결하여 하나의 단위로 묶은 배터리 팩의 형태로 사용되기도 한다.
휴대폰과 같은 소형 모바일 기기는 단일 전지의 출력과 용량으로 소정시간 동안 작동이 가능하지만, 전력소모가 많은 전기 자동차, 하이브리드 자동차와 같이 장시간 구동, 고전력 구동이 필요한 경우에는 출력 및 용량의 문제로 배터리 팩이 선호되며, 배터리 팩은 내장된 배터리 셀의 개수에 따라 출력전압이나 출력전류를 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 충, 방전 전류의 패스를 형성하며, 패스의 접속 포인트를 제공하는 전극 단자의 구조가 개선된 배터리 팩을 포함한다.
상기와 같은 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩은,
배터리 셀; 및
상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 플레이트 부재와, 상기 플레이트 부재를 관통하도록 조립되는 것으로, 길이 방향을 따라 상기 플레이트 부재의 양편으로 형성된 걸림턱과 상기 플레이트 부재로부터 노출된 나사부를 갖는 나사 부재를 포함하고, 상기 플레이트 부재와 나사 부재는 서로 다른 이종 금속으로 형성된 전극 단자를 포함한다.
예를 들어, 상기 나사 부재는,
상기 플레이트 부재의 양편으로 걸림턱을 각각 형성하는 머리부 및 변형부를 포함한다.
예를 들어, 상기 나사 부재는 상기 나사부와 머리부를 각각 일단부와 타단부로 하고,
상기 변형부는 상기 나사부와 머리부 사이에 형성되되, 상기 나사부와 함께 플레이트 부재로부터 노출된 위치에 형성된다.
예를 들어, 상기 플레이트 부재는 상기 나사부가 관통되기 위한 관통 홀과, 관통 홀보다 확장된 내주면을 갖고 상기 머리부의 외주면이 끼워지는 단차 홈을 포함한다.
예를 들어, 상기 단차 홈의 내주면과 상기 머리부의 외주면은 적어도 일부에서 서로 물리적인 간섭을 형성한다.
예를 들어, 상기 단차 홈의 내주면과 상기 머리부의 외주면은 다각형 형태를 갖는다.
예를 들어, 상기 양편의 걸림턱 사이에서 상기 플레이트 부재의 여유 공차(C)와 상기 단차 홈의 깊이(t2)는, C ≤ t2 관계를 만족한다.
예를 들어, 상기 양편의 걸림턱 사이에서 상기 플레이트 부재의 여유 공차(C)와, 머리부의 두께(t1)와, 상기 단차 홈의 깊이(t2)는, C + t1 ≤ t2 관계를 만족한다.
예를 들어, 상기 여유 공차(C)와, 머리부의 두께(t1)와, 상기 단차 홈의 깊이(t2)는 나사 부재의 길이 방향을 따라 측정된다.
예를 들어, 상기 변형부는 나사부의 가공에 따라 나사부로부터 플레이트 부재를 향하여 밀려난 금속 유동에 의해 형성된 돌기로 마련된다.
예를 들어, 상기 변형부는 상기 플레이트 부재와 가장 가깝게 형성된 나사부의 나사산과 플레이트 부재 사이에 형성된다.
예를 들어, 상기 나사부는 상기 플레이트 부재에 의해 가려진 나사 부재에는 형성되지 않는다.
예를 들어, 상기 변형부는 플레이트 부재로부터는 멀고 나사부 쪽으로는 가깝도록 치우친 정점을 갖는 볼록한 돌기 형태를 갖는다.
예를 들어, 상기 나사 부재는 상기 플레이트 부재 보다 높은 강성을 갖는 금속 소재로 형성된다.
예를 들어, 상기 플레이트 부재는 알루미늄 소재로 형성되고,
상기 나사 부재는 스틸, 구리, 니켈, SUS, 또는 이들의 합금 소재로 형성된다.
예를 들어, 상기 플레이트 부재와 배터리 셀의 서로 마주하는 면에는 각각 조립 돌기 및 조립 홈이 형성된다.
본 발명의 일 실시형태에 의하면, 충, 방전 전류의 패스를 형성하며 패스의 접속 포인트를 제공하는 전극 단자를 이종 금속소재로 형성함으로써, 충, 방전 패스의 전기 저항을 줄일 수 있는 한편으로, 전기적인 연결을 위한 체결 작업시 충분한 체결력을 제공할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시형태에 의하면, 금속 단자를 형성하는 이종 금속소재 간의 결합 방식을 제공함으로써, 이종 금속소재 간의 견고한 결합을 유지할 수 있고, 기계적인 체결을 제공하기 위한 적정의 회전 저항을 제공할 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일 실시형태에 관한 배터리 팩의 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 2에는 도 1에 도시된 배터리 팩의 일부에 대한 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 3에는 배터리 셀의 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 4 및 도 5에는 도 3의 전극 단자에 대한 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 6에는 도 5의 VI-VI 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다.
도 7 및 도 8에는 나사 부재의 회전을 구속하기 위한 설계에 대해 설명하기 위한 도면들이 도시되어 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 관한 배터리 팩에 대해 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시형태에 관한 배터리 팩의 분해 사시도가 도시되어 있다. 도 2에는 도 1에 도시된 배터리 팩의 일부에 대한 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 1 및 2를 참조하면, 상기 배터리 팩은, 열 방향을 따라 배열된 다수의 배터리 셀(10)들과, 상기 배터리 셀(10)들을 둘러싸는 플레이트들(140,150)을 포함한다.
상기 배터리 셀(10)로는 리튬 이온 전지와 같은 이차 전지가 적용될 수 있으며, 원통형 이차 전지나 각형 이차 전지, 또는 폴리머 이차 전지 등 다양한 형태의 이차 전지가 적용될 수 있고, 어느 하나의 형태에 한정될 필요는 없다.
예를 들어, 각 배터리 셀(10)은, 케이스(15)와, 상기 케이스(15) 내에 수용된 전극 조립체(미도시) 및 전극 조립체와 전기적으로 연결되어 케이스(15) 외부로 인출되는 전극 단자(100)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 단자(100)는 배터리 셀(10)의 상부를 형성할 수 있으며, 케이스(15) 상으로 노출될 수 있다. 도시되어 있지는 않지만, 상기 전극 조립체는 양극, 세퍼레이터, 음극을 포함하며, 권취형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 상기 케이스(15)는 그 내부에 전극 조립체를 수용하며, 전극 조립체와 외부회로 간의 전기 접속을 위해 케이스(15) 외부로는 전극 단자(100)가 인출된다.
예를 들어, 이웃한 배터리 셀(10)들은 전극 단자(100)의 접속을 통하여 서로 전기적으로 연결되며, 직렬 연결 또는 병렬 연결될 수 있는데, 버스 바(20)를 통하여 이웃한 전극 단자(100)들이 서로 연결될 수 있다.
상기 케이스(15)에는 안전 벤트(10`)가 형성될 수 있다. 상기 안전 벤트(10`)는 상대적으로 약한 강도로 설계되며, 케이스(15) 내에 사전에 임계 포인트 이상의 내압이 걸리면 파단되면서 내부 가스를 분출시키는 기능을 한다.
이웃한 배터리 셀(10)들 사이에는 스페이서(50)가 개재될 수 있다. 상기 스페이서(50)는 이웃한 배터리 셀(10)들을 전기적으로 절연시켜준다. 예를 들어, 상기 케이스(15)는 전기적으로 극성을 띨 수 있는데, 절연성 소재로 형성된 스페이서(50)를 개재하여 이웃한 배터리 셀(10)들 간의 전기적인 간섭을 차단할 수 있다.
또한, 상기 스페이서(50)는 배터리 셀(10)들 사이에 방열 통로를 제공할 수 있으며, 이를 위해, 상기 스페이서(50)에는 방열 공(50`)이 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 스페이서(50)의 측면을 덮도록 조립되는 사이드 플레이트(140)에는 방열 공(140`)이 형성될 수 있으며, 사이드 플레이트(140)의 방열 공(140`)과 마주하는 위치에 형성된 스페이서(50)의 방열 공(50`)이 상호 연결되어, 배터리 셀(10)들 사이의 방열 통로를 제공할 수 있다.
상기 스페이서(50)는 배터리 셀(10)들 사이에 개재되어 배터리 셀(10)의 열적 팽창, 즉, 스웰링(swelling)을 억제할 수 있다. 상기 배터리 셀(10)의 케이스(15)는 변형이 가능한 금속 소재로 형성되는데, 고분자 소재와 같이 변형이 적은 소재를 이용하여 스페이서(50)를 형성함으로써 배터리 셀(10)의 스웰링을 억제할 수 있다.
한편, 상기 스페이서(50)는 이웃한 배터리 셀(10)들 사이뿐 아니라, 배터리 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 최외곽 배터리 셀(10)의 외면에 밀착되게 배치될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 양편으로는 한 쌍의 엔드 플레이트(150)가 배치되는데, 엔드 플레이트(150)와 배터리 셀(10) 간의 전기적인 절연을 위해, 이들 사이에는 각각 스페이서(50)가 배치될 수 있다.
배터리 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 양편으로는 한 쌍의 엔드 플레이트(150)가 배치된다. 상기 엔드 플레이트(150)의 일면은 배터리 셀(10)의 외면과 마주하도록 배치된다. 보다 구체적으로, 상기 엔드 플레이트(150)의 일면은 배터리 셀(10)의 외측에 배치된 스페이서(50)와 맞닿게 조립될 수 있다.
상기 엔드 플레이트(150)는 일군의 배터리 셀(10)들을 하나의 단위로 묶어 결속시키는 한편으로, 충방전 동작에 따른 배터리 셀(10)의 부피 팽창을 억제하고 저항 특성을 유지함으로써 배터리 셀(10)의 전기적 특성이 저하되는 것을 방지한다.
상기 엔드 플레이트(150)는, 베이스 플레이트(151)와, 상기 베이스 플레이트(151)의 가장자리로부터 배터리 셀(10)과 반대되는 방향으로 절곡된 플랜지부(152,153,155)를 포함할 수 있다. 상기 베이스 플레이트(151)는 배터리 셀(10)의 외면을 커버할 수 있을 정도의 충분한 면적으로 형성될 수 있다.
상기 플랜지부(152,153,155)는, 베이스 플레이트(151)의 가장자리로부터 배터리 셀(10)의 반대방향으로 절곡되어 있다. 상기 플랜지부(152,153,155)는 베이스 플레이트(151)의 양 측면에 형성된 한 쌍의 측면 플랜지부(152)와, 베이스 플레이트(151)의 상부 및 하부에 각각 형성된 상부 및 하부 플랜지부(153,155)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 플랜지부(152,153,155)는 엔드 플레이트(150)와 인접한 구성요소 간의 결합을 위한 결합위치를 제공할 수 있고, 예를 들어, 엔드 플레이트(150)의 모서리를 따라 서로 맞닿게 조립된 사이드 플레이트(140)와의 결합을 매개할 수 있다. 또한, 상기 플랜지부(152,153,155)는 엔드 플레이트(150)의 기계적인 강성을 보강해주는 역할을 겸할 수 있다.
상기 측면 플랜지부(152)는 엔드 플레이트(150)와 사이드 플레이트(140) 간의 결합을 매개하기 위한 결합위치를 제공하며, 측면 플랜지부(152) 상으로 포개어진 사이드 플레이트(140)의 단부는 나사 체결을 통하여 측면 플랜지부(152)와 결합을 이룰 수 있다. 이를 위해, 상기 측면 플랜지부(152)에는 결합 공이 형성될 수 있다.
상기 배터리 셀(10)의 측면에는 사이드 플레이트(140)가 배치된다. 상기 사이드 플레이트(140)는 일 열로 배열된 배터리 셀(10)의 측면을 덮도록 배치된다. 상기 사이드 플레이트(140)는 배터리 셀(10)의 서로 반대되는 양 측면에 쌍으로 배치될 수 있다. 사이드 플레이트(140)는 배터리 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 연장되며, 일단부와 타단부가 각각 서로 반대편에 배치된 엔드 플레이트(150)에 결합될 수 있다. 상기 사이드 플레이트(140)는 엔드 플레이트(150)의 측면 가장자리에 형성된 측면 플랜지부(152)와 나사 결합을 이룰 수 있고, 사이드 플레이트(140)와 측면 플랜지부(152)를 겹쳐지게 배치하고 결합 공을 일치시킨 후, 볼트-너트 등의 체결 부재를 이용하여 양자를 나사 결합시킬 수 있다. 나사 결합을 통하여 사이드 플레이트(140)와 측면 플랜지부(152)는 적어도 일부에 걸쳐서 서로 맞닿는 면 접촉을 형성할 수 있다.
상기 사이드 플레이트(140)는 전체적으로 판 상으로 형성될 수 있으며, 배터리 셀(10)의 바닥면 일부를 떠받치도록 절곡된 걸림턱(140a)을 포함할 수 있다. 배터리 셀(10)의 서로 반대되는 측면에 배치되는 양편의 사이드 플레이트(140)는, 서로 마주하는 방향으로 절곡된 걸림턱(140a)의 쌍을 이용하여 배터리 셀(10)의 바닥을 지지할 수 있다.
상기 걸림턱(140a)은 배터리 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 사이드 플레이트(140)의 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있으며, 걸림턱(140a)의 일단부와 타단부는 엔드 플레이트(150)의 하부 플랜지부(153)와 나사 결합을 형성할 수 있다. 이를 위해 상기 걸림턱(140a)과 하부 플랜지부(153)에는 결합 공이 형성될 수 있고, 결합 공을 일치시킨 후 걸림턱(140a)과 하부 플랜지부(153)를 관통하도록 체결되는 체결 부재를 이용하여 사이드 플레이트(140)와 엔드 플레이트(150)가 나사 결합될 수 있다. 상기 걸림턱(140a)과 하부 플랜지부(153)는 배터리 팩의 코너 위치에서 서로 맞닿으며 면 접촉할 수 있다. 이와 같이, 상기 사이드 플레이트(140)는 엔드 플레이트(150)의 하부 플랜지부(153) 및 측면 플랜지부(152)와 체결을 이루며 일 열의 배터리 셀(10)들을 수용하는 수용공간을 형성할 수 있다.
상기 사이드 플레이트(140)에는 방열 공(140`)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 방열 공(140`)은 배터리 셀(10)의 열 방향(Z1 방향)을 따라 일정한 간격을 두고 복수 개 형성될 수 있다. 상기 방열 공(140`)은 배터리 셀(10)과 외기 간의 접촉을 허용함으로써 배터리 셀(10)로부터 생성된 구동 열을 신속하게 배출시키는데 기여할 수 있다.
배터리 셀(10)의 하부는 사이드 플레이트(140)의 걸림턱(140a)에 의해 떠받쳐지는 부분을 제외하고는, 사이드 플레이트(140)로부터 노출될 수 있으며, 사이드 플레이트(140)로부터 노출된 배터리 셀(10)의 하부를 통하여 배터리 셀(10)들 사이로 외기의 흐름을 허용할 수 있고, 배터리 셀(10)의 방열을 촉진할 수 있다.
사이드 플레이트(140)에는 회로기판(미도시)을 장착하기 위한 보스 부재(145)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 회로기판은 BMS (Battery Management System, 배터리관리시스템) 등을 형성할 수 있다. 사이드 플레이트(140)의 일면은 배터리 셀(10) 측면과 대면할 수 있으며, 사이드 플레이트(140)의 타면에는 회로기판이 장착될 수 있다. 예를 들어, 상기 회로기판은 배터리 셀(10)의 충, 방전 상태를 모니터링하고 배터리 팩의 전반적인 충, 방전 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 보스 부재(145)는 대략 장방형 또는 정방형의 회로기판에 대응하여 격자 상으로 4군데에 배열될 수 있으며, 다수의 회로기판에 대응하여 격자 상으로 4의 배수에 해당되는 개소에 배열될 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않지만, 회로기판에는 결합 공이 형성될 수 있으며, 결합 공을 통과한 나사 부재가 사이드 플레이트(140) 상의 보스 부재(145)에 대해 체결됨으로써 회로기판이 사이드 플레이트(140) 상에 고정될 수 있다.
도면에 도시되어 있지는 않지만, 상기 배터리 셀(10)의 상부에는 이너 커버(미도시)가 배치될 수 있다. 이너 커버는 실질적으로 배터리 팩의 전부를 덮도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 이너 커버는 배터리 팩에 마련된 다수의 배터리 셀(10)들을 함께 덮도록 형성될 수 있다.
이하, 전극 단자(100)의 구조에 대해 설명하기로 한다.
도 3에는 배터리 셀의 분해 사시도가 도시되어 있다. 도 4 및 도 5에는 도 3의 전극 단자에 대한 분해 사시도가 도시되어 있다. 그리고, 도 6에는 도 5의 VI-VI 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다.
도면들을 참조하면, 상기 전극 단자(100)는 배터리 셀(10)의 단자 결합면(S) 상에 배치된다. 상기 전극 단자(100)는 단자 결합면(S) 상에 조립되는 플레이트 부재(110)와 상기 플레이트 부재(110)에 끼워지는 나사 부재(120)를 포함한다.
상기 플레이트 부재(110)는 배터리 셀(10)과 전기적으로 연결되는 것으로, 상기 배터리 셀(10)의 단자 결합면(S) 상에 배치된다. 예를 들어, 상기 배터리 셀(10)의 단자 결합면(S)이란 플레이트 부재(110)가 결합되는 개소로서 셀 단자(11)와 전기적으로 연결되어 있거나 또는 셀 단자(11) 자체를 의미할 수 있다. 참고적으로, 상기 셀 단자(11)는 배터리 셀(10) 내부의 전극 조립체(미도시)와 전기적으로 연결되고 케이스(15) 상부로 노출되어 있다.
예를 들어, 상기 플레이트 부재(110)는 배터리 셀(10)의 단자 결합면(S), 그러니까, 셀 단자(11)의 상면에 결합되어 배터리 셀(10)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 나사 부재(120)는 상기 플레이트 부재(110)를 관통하도록 끼워지며, 일 방향을 따라 연장되는 세장형으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 나사 부재(120)는 플레이트 부재(110)의 위치 고정을 위해 플레이트 부재(110)의 양편으로 형성된 걸림턱(121,123)을 포함할 수 있다. 또한 상기 나사 부재(120)는 플레이트 부재(110)로부터 노출된 나사부(125)를 포함할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 플레이트 부재(110)와 나사 부재(120)는 서로 다른 이종 금속 소재로 형성될 수 있다.
상기 나사 부재(120)의 길이 방향을 따라서는 플레이트 부재(110)의 위치 고정을 위해 플레이트 부재(110)의 양편으로 걸림턱이 형성되어 있다. 예를 들어, 상기 걸림턱은 나사 부재(120)의 머리부(121) 및 변형부(123)에 의해 제공될 수 있다. 상기 나사 부재(120)는 나사부(125)와 머리부(121)를 각각 일단부와 타단부로 하고, 상기 변형부(123)는 상기 나사부(125)와 머리부(121) 사이에 형성될 수 있다.
상기 나사부(125)에는 나사산이 형성되어 있고, 입출력 배선의 링 터미널(미도시)을 개재하고 와셔(미도시)가 끼워질 수 있다. 상기 머리부(121)는 상기 나사부(125) 보다 큰 직경으로 형성되며, 다각형 형상으로 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 다각형 형상으로 형성된 머리부(121)의 외주면(121a)은 단차 홈(111)의 내주 면(111a)에 끼워져 회전 저항을 제공할 수 있다. 즉, 머리부(121)의 외주면(121a)과 단차 홈(111)의 내주면(111a)이 서로 정합되면서 나사 부재(120)와 플레이트 부재(110) 간의 상대적인 회전이 억제될 수 있고, 플레이트 부재(110)에 대한 나사 부재(120)의 상대적인 회전이 저지될 수 있다. 나사 부재(120)와 와셔(미도시) 간의 스크류 체결을 위해 나사 부재(120)의 임의 회전이 저지될 필요가 있으며, 이에, 나사 부재(120)에 대한 회전 저항을 제공할 수 있도록 나사 부재(120)와 플레이트 부재(110)의 서로 마주하는 면을 다각형 형상으로 형성한다.
도 5를 참조하면, 상기 나사 부재(120)는 플레이트 부재(110)의 하방으로부터 상방을 향하여 플레이트 부재(110)에 끼워질 수 있다. 이때, 나사 부재(120)의 나사부(125)는 상기 플레이트 부재(110)의 관통 홀(110`)을 관통하여 플레이트 부재(110)의 상방으로 노출될 수 있다. 그리고, 상기 나사 부재(120)의 머리부(121)는 상기 플레이트 부재(110)의 단차 홈(111)에 걸려서 위치 고정될 수 있다.
후술하는 바와 같이, 상기 플레이트 부재(110)에는 상기 나사 부재(120)의 조립 방향을 따라 대직경의 단차 홈(111)과 소직경의 관통 홀(110`)을 포함할 수 있다. 이때, 나사 부재(120)의 나사부(125)는 플레이트 부재(110)의 관통 홀(110`)을 관통하여 플레이트 부재(110)의 상방으로 노출되나, 나사 부재(120)의 머리부(121)는 플레이트 부재(110)의 관통 홀(110`)을 관통하지 못하고 단자 홈(111) 내에 밀착되면서 나사 부재(120)가 플레이트 부재(110)를 빠져나가지 못하도록 나사 부재(120)를 위치 고정하게 된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 나사 부재(120)가 관통하도록 끼워진 플레이트 부재(110)는 상기 배터리 셀(10)의 단자 결합면(S)에 조립될 수 있다. 상기 플레이트 부재(110)는 상기 배터리 셀(10)의 단자 결합면(S) 상에 조립될 수 있다. 예를 들어, 상기 플레이트 부재(110)는 상기 배터리 셀(10)의 단자 결합면(S), 그러니까, 셀 단자(11)의 상면에 조립될 수 있다. 상기 플레이트 부재(110)는 상기 셀 단자(11) 상에 결합되어 셀 단자(11)와 전기적으로 연결된다.
예를 들어, 상기 플레이트 부재(110)에는 단자 결합면(S)에 끼워질 수 있는 조립 돌기(110a)가 형성되어 있고, 상기 단자 결합면(S)에는 상기 조립 돌기(110a)가 끼워지는 조립 홈(11a)이 형성될 수 있다. 상기 플레이트 부재(110)와 단자 결합면(S)의 서로 마주하는 면에 형성된 조립 돌기(110a) 및 조립 홈(11a)이 서로 끼워지도록 조립됨으로써 플레이트 부재(110)가 단자 결합면(S)에 대해 조립될 수 있다. 예를 들어, 상기 플레이트 부재(110)에는 다수의 조립 돌기(110a)가 형성될 수 있는데, 상기 플레이트 부재(110)의 단자 결합면(S)을 마주하는 하면에서 대칭적인 4개소에는 조립 돌기(110a)가 형성될 수 있다. 상기 조립 돌기(110a)에 대응하는 위치, 그러니까, 단자 결합면(S)의 4개소에는 조립 홈(11a)이 형성될 수 있다.
상기 플레이트 부재(110)에는 대직경의 단차 홈(111)과 소직경의 관통 홀(110`)이 형성되어 있다. 상기 단차 홈(111)과 관통 홀(110`)은 상기 나사 부재(120)의 조립 방향으로 연이어 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 플레이트 부재(110)의 하면으로부터 상면으로 가면서 단차 홈(111)과 관통 홀(110`)이 형성될 수 있다. 상기 단차 홈(111)은 플레이트 부재(110)의 하면과 관통 홀(110`) 사이에 형성될 수 있다.
상기 플레이트 부재(110)의 하방으로부터 상방을 향하여 나사 부재(120)가 끼워 조립될 때, 상기 나사 부재(120)의 나사부(125)는 상기 관통 홀(110`)을 관통하여 플레이트 부재(110)의 상방으로 노출되고, 상기 나사 부재(120)의 머리부(121)는 상기 관통 홀(110`)을 관통하지 못하고 관통 홀(110`)에 걸려 단차 홈(111)에 밀착된다. 이때, 상기 단차 홈(111)의 내주면(111a)은 머리부(121)의 외주면(121a)과 정합되는 다각형 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 서로에 대해 끼워지는 단차 홈(111)의 내주면(111a)과 머리부(121)의 외주면(121a)이 다각형 형상, 예를 들어, 육각형 형상으로 형성됨으로써, 머리부(121)를 포함하는 나사 부재(120)의 임의 회전이 저지될 수 있고, 임의 회전에 대한 회전 저항을 제공할 수 있다.
상기 전극 단자(100)는 단자 결합면(S)에 조립되는 플레이트 부재(110)와 상기 플레이트 부재(110)에 끼워지는 나사 부재(120)를 포함한다. 상기 플레이트 부재(110)는 셀 단자(11)와 전기적으로 연결되어 충, 방전 전류의 패스를 형성하게 된다. 이에 따라 상기 플레이트 부재(110)는 전기 전도성이 우수한 금속 소재로 형성되는 것이 바람직한데, 예를 들어, 알루미늄 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 플레이트 부재(110) 상에는 버스 바(20)가 조립되며, 플레이트 부재(110) 및 버스 바(20)를 통하여 다른 배터리 셀(10)과 전기적으로 결속될 수 있는데, 버스 바(20) 역시 같은 알루미늄 소재로 형성될 수 있다. 플레이트 부재(110) 및 버스 바(20)를 동일한 금속 소재로 형성함으로써 이들 사이의 전기적인 저항을 감소시킬 수 있다.
상기 나사 부재(120)에는 입출력 배선의 링 터미널(미도시)이나 버스 바(20) 등을 고정하기 위한 나사부(125)가 형성된다. 예를 들어, 상기 나사 부재(120)에는 플레이트 부재(110)와의 사이에 입출력 배선의 링 터미널(미도시)을 개재하고 와셔(미도시) 등이 나사 결합될 수 있다. 이때, 상기 나사 부재(120)는 충분한 체결력을 제공할 수 있고, 체결작업 중에 나사부(125)가 손상되지 않도록 충분히 높은 강성을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 나사 부재(120)는 플레이트 부재(110) 보다는 높은 강도를 갖는 고강도 금속 소재로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 나사 부재(120)는 스틸, 니켈, 구리, SUS 등의 소재로 형성될 수 있다.
결론적으로, 상기 전극 단자(100)를 이종 금속소재로 형성함으로써, 충, 방전 패스의 전기 저항을 줄일 수 있는 한편으로, 전기적인 연결을 위한 체결 작업시 충분한 체결력을 제공할 수 있다. 즉, 전극 단자(100)를 기능적으로 분류하여 전기적인 패스를 형성하는 플레이트 부재(110)는 전기 전도성이 우수한 금속 소재로 형성하는 한편으로, 기계적인 체결을 담당하는 나사 부재(120)를 고강성의 금속 소재로 형성함으로써 충분한 체결력을 제공하고 체결 작업 중의 손상이 일어나지 않도록 할 수 있다.
상기 전극 단자(100)를 서로 다른 이종 금속소재의 플레이트 부재(110) 및 나사 부재(120)로 형성할 경우에, 이들 간의 결합 구조가 관건이 된다. 예를 들어, 이종 금속 간의 용접은 충분한 결합 강도를 확보하기 쉽지 않다. 이에 대해서는 후에 상세히 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 상기 나사 부재(120)는, 머리부(121)와 나사부(125) 외에 변형부(123)를 더 포함할 수 있다. 상기 변형부(123)는 머리부(121)와 나사부(125) 사이에 형성될 수 있다. 상기 변형부(123)는 일단 플레이트 부재(110)에 나사 부재(120)가 끼워진 후에 형성될 수 있고, 플레이트 부재(110)를 위치 고정할 수 있다. 예를 들어, 플레이트 부재(110)는 상기 머리부(125)와 변형부(123) 사이에 개재되며, 이들 사이에서 위치가 고정된다. 상기 플레이트 부재(110)는 상기 머리부(121)와 변형부(123)를 양편의 걸림턱으로 하고, 이들 사이에서 위치 고정될 수 있다. 상기 변형부(123)는 플레이트 부재(110)의 관통 홀(110`) 보다 큰 직경으로 형성되며, 변형부(123)와 머리부(121)는 상기 플레이트 부재(110)의 위치를 고정할 수 있다.
상기 나사 부재(120)의 변형부(123)는 플레이트 부재(110)에 끼워진 이후에 가공될 수 있다. 예를 들어, 상기 나사 부재(120)의 변형부(123)는 나사부(125)의 가공 중에 함께 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 나사 부재(120)의 변형부(123)는 나사부(125)와 함께 형성될 수 있다. 예를 들어, 나사 부재(120)를 플레이트 부재(110)에 끼운 이후에, 나사 부재(120)의 상단으로부터 플레이트 부재(110)를 향하여 나사 부재(120)의 외주를 따라 나사 가공을 진행하여 나사부(125)를 형성하게 된다. 이때, 플레이트 부재(110)와 인접한 위치에서 나사 가공을 종료하면, 최후에 형성된, 그러니까 플레이트 부재(110)에 최 인접한 위치의 나사산을 형성하면서 플레이트 부재(110)를 향하여 밀려난 금속 유동에 따라 나사 부재(120)에는 돌출된 돌기 형태의 변형부(123)가 형성된다. 이때, 상기 변형부(123)는 플레이트 부재(110)와 인접한 위치에 형성되고, 상기 변형부(123)와 머리부(121) 사이로 플레이트 부재(110)를 고정할 수 있다. 즉, 상기 변형부(123)는 상기 플레이트 부재(110)와 가장 가깝게 형성된 나사산과 플레이트 부재(110) 사이에 형성될 수 있다.
상기 변형부(123)는 나사 부재(120)가 플레이트 부재(110)에 끼워진 후에 가공되며, 나사부(125)와 함께 가공된다. 상기 변형부(123)는 나사부(125)와 함께 플레이트 부재(110)로부터 노출된 위치에 형성될 수 있다. 상기 변형부(123)와 나사부(125)는 모두 플레이트 부재(110)로부터 노출된 나사 부재(120)의 상부에 대한 나사 가공을 통하여 형성되기 때문이다. 다시 말하면, 상기 변형부(123)는 상기 플레이트 부재(110)에 의해 가려진 나사 부재(120)에는 형성되지 않을 수 있다.
만일 변형부(123)가 형성되어 있지 않으면, 나사 부재(120)의 머리부(121)와 플레이트 부재(110)의 단차 홈(111) 간의 간섭에 의해 나사 부재(120)의 회전 위치를 구속할 수 없게 된다. 보다 구체적으로 설명하면, 상기 나사 부재(120)의 머리부(121)와 플레이트 부재(110)의 단차 홈(111)은 적어도 일부에서 간섭을 형성할 필요가 있다. 이것은 나사 부재(120)의 임의 회전을 구속하기 위한 구성이다. 이에, 상기 나사 부재(120)에 변형부(123)를 형성하고, 변형부(123)와 머리부(121) 사이로 플레이트 부재(110)의 위치를 구속하는 것이다. 즉, 상기 플레이트 부재(110)의 위치를 구속하기 위해, 플레이트 부재(110)의 양편으로 변형부(123)와 머리부(121)를 형성할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 플레이트 부재(110)는 양편의 걸림턱, 그러니까, 변형부(123)와 머리부(121) 사이에서 나사 부재(120)의 길이 방향을 따라 어느 정도의 여유 공차를 가질 수 있다. 이때, 상기 플레이트 부재(110)의 여유 공차는 나사 부재(120)와 플레이트 부재(110) 간의 간섭, 그러니까, 나사 부재(120)의 머리부(121)와 플레이트 부재(110)의 단차 홈(111) 간의 간섭을 위해 적정 한도에서 규제될 수 있다. 이하에서는 이에 대해 설명하기로 한다.
도 7 및 도 8에는 나사 부재의 회전을 구속하기 위한 설계에 대해 설명하기 위한 도면들이 도시되어 있다.
도면들을 참조하면, 나사 부재(120)의 변형부(123)와 머리부(121) 사이에서 상기 플레이트 부재(110)의 유동을 허용하는 여유 공차(C)는 어느 한도에서 제한될 필요가 있다. 예를 들어, 상기 나사 부재(120)의 변형부(123)와 머리부(121) 사이에서 플레이트 부재(110)의 과도한 유동이 허용되면 나사 부재(120)의 머리부(121)가 플레이트 부재(110)의 단차 홈(111)을 벗어나게 되며, 이에 따라 머리부(121)와 단차 홈(111) 간의 간섭이 일어나지 않게 된다. 결과적으로 나사 부재(120)의 임의 회전이 가능하게 되며, 나사 부재(120)의 회전 위치가 구속되지 않아 나사 부재(120)를 이용하여 입출력 배선의 링 터미널(미도시)이나 버스 바(20) 등을 결합하는 것이 불가능하게 된다.
본 발명에서는 플레이트 부재(110)의 여유 공차에 관한 설계 사양을 제공한다. 도면을 참조하면, 나사 부재(120)의 머리부(121, 보다 구체적으로, 외주면121a)이 상하 방향으로 전체 면적에 걸쳐서 플레이트 부재(110)의 단차 홈(111, 보다 구체적으로, 내주면 111a)과 간섭을 일으킬 조건은 이하와 같다.
C + t1 ≤ t2 --- (1)
이때, 나사 부재(120)의 머리부(121)가 플레이트 부재(110)의 단차 홈(111) 안에 온전히 들어가 있는 형태가 된다.
도 8을 참조하면, 나사 부재(120)의 머리부(121, 보다 구체적으로, 외주면121a)가 상하 방향으로 적어도 그 일부 면적에 걸쳐서 플레이트 부재(110)의 단차 홈(111, 보다 구체적으로, 내주면 111a)과 간섭을 일으킬 조건은 이하와 같다.
C ≤ t2 -------- (2)
이때, 나사 부재(120)의 머리부(121)와 플레이트 부재(110)의 단차 홈(111)이 서로 겹쳐지기 시작하는 포인트가 된다.
상기한 조건 (1) 및 (2)에서, t1은 나사 부재(120)의 머리부(121) 두께에 해당된다. 그리고, 상기한 조건 (1) 및 (2)에서, t2는 플레이트 부재(110)의 단차 홈(111) 깊이에 해당된다. 상기한 조건 (1) 및 (2)는, 나사 부재(120)의 머리부(121)와 플레이트 부재(110)의 단차 홈(111) 간에 간섭을 일으키도록 하기 위한 조건이므로, 이들 머리부(121)와 단차 홈(111)의 두께/깊이를 고려하게 되는 것이다.
상기한 조건 (1) 및 (2) 에서, c는 플레이트 부재(110)의 여유 공차를 의미한다. 여기서, 플레이트 부재(110)의 여유 공차(C)란 플레이트 부재(110)가 나사 부재(120)의 변형부(123)와 머리부(121) 사이에서 유동이 허용되는 여유를 의미한다. 예를 들어, 상기 플레이트 부재(110)의 여유 공차(C)는 나사 부재(120)의 변형부(123)와 머리부(121) 사이의 거리와, 이들 변형부(123)와 머리부(121) 사이에 개재된 플레이트 부재(100)의 두께(t3)를 뺀 만큼에 해당될 수 있다. 즉, 상기 플레이트 부재(110)의 여유 공차(C)는 변형부(123)와 머리부(121) 간의 거리를 한도로 하고, 상기 변형부(123)와 머리부(121) 사이에 개재된 플레이트 부재(110)의 두께(t3)를 제한 만큼에 해당된다. 여기서, 변형부(123)와 머리부(121) 사이의 거리는 변형부(123)의 형상에 따라 실질적으로 플레이트 부재(110)의 유동을 제한할 수 있는 변형부(123)로부터 머리부(121)까지의 거리에 해당된다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 변형부(123) 중에서 돌출 정도가 충분하지 않아서 플레이트 부재(110)의 유동을 차단하지 못하는 부분은 제외하고 돌출 정도가 충분하여 플레이트 부재(110)의 유동을 차단할 수 있는 부분으로부터 머리부(121)까지의 거리를, 여유 공차(C)의 길이 산정에서 고려하는 것이 바람직할 것이다.
도 7을 참조하면, 상기 변형부(123)의 형상에 대해, 상기 변형부(123)는 나사 부재(120)의 상단으로부터 하방으로 내려가면서 나사 가공을 진행하다가, 최후에 형성되는 나사부(125)의 가공에 따라 플레이트 부재(110)를 향하여 하방으로 밀려난 금속 유동에 의해 돌기 형태로 형성된다. 이때, 금속 유동의 특성상, 상기 변형부(123)는 플레이트 부재(110)로부터는 멀고 나사부(125) 쪽으로는 가깝도록 치우친 정점(123a)을 갖는 볼록한 돌기 형태로 형성될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 배터리 셀 10`: 안전 벤트
10a: 전극 단자 15: 배터리 셀의 케이스
11: 셀 단자 11a: 조립 홈
20: 버스 바 110: 플레이트 부재
110` : 관통 홀 110a : 조립 돌기
111: 단차 홈 111a: 단자 홈의 내주면
120: 나사 부재 121: 머리부
121a: 머리부의 외주면
123: 변형부 125: 나사부
140: 사이드 플레이트 140`: 방열 공
140a: 걸림턱 145: 보스 부재
150: 엔드 플레이트 151: 베이스 플레이트
152: 측면 플랜지부 153: 하부 플랜지부
155: 상부 플랜지부 S: 단자 결합면
C: 여유 공차

Claims (16)

  1. 배터리 셀; 및
    상기 배터리 셀과 전기적으로 연결되는 플레이트 부재와, 상기 플레이트 부재를 관통하도록 조립되는 것으로, 길이 방향을 따라 상기 플레이트 부재의 양편으로 형성된 걸림턱과 상기 플레이트 부재로부터 노출된 나사부를 갖는 나사 부재를 포함하고, 상기 플레이트 부재와 나사 부재는 서로 다른 이종 금속으로 형성된 전극 단자를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나사 부재는,
    상기 플레이트 부재의 양편으로 걸림턱을 각각 형성하는 머리부 및 변형부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 나사 부재는 상기 나사부와 머리부를 각각 일단부와 타단부로 하고,
    상기 변형부는 상기 나사부와 머리부 사이에 형성되되, 상기 나사부와 함께 플레이트 부재로부터 노출된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플레이트 부재는 상기 나사부가 관통되기 위한 관통 홀과, 관통 홀보다 확장된 내주면을 갖고 상기 머리부의 외주면이 끼워지는 단차 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단차 홈의 내주면과 상기 머리부의 외주면은 적어도 일부에서 서로 물리적인 간섭을 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단차 홈의 내주면과 상기 머리부의 외주면은 다각형 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 양편의 걸림턱 사이에서 상기 플레이트 부재의 여유 공차(C)와 상기 단차 홈의 깊이(t2)는, C ≤ t2 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 양편의 걸림턱 사이에서 상기 플레이트 부재의 여유 공차(C)와, 머리부의 두께(t1)와, 상기 단차 홈의 깊이(t2)는, C + t1 ≤ t2 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 여유 공차(C)와, 머리부의 두께(t1)와, 상기 단차 홈의 깊이(t2)는 나사 부재의 길이 방향을 따라 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 변형부는 나사부의 가공에 따라 나사부로부터 플레이트 부재를 향하여 밀려난 금속 유동에 의해 형성된 돌기로 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 변형부는 상기 플레이트 부재와 가장 가깝게 형성된 나사부의 나사산과 플레이트 부재 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 나사부는 상기 플레이트 부재에 의해 가려진 나사 부재에는 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 변형부는 플레이트 부재로부터는 멀고 나사부 쪽으로는 가깝도록 치우친 정점을 갖는 볼록한 돌기 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 나사 부재는 상기 플레이트 부재 보다 높은 강성을 갖는 금속 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 플레이트 부재는 알루미늄 소재로 형성되고,
    상기 나사 부재는 스틸, 구리, 니켈, SUS, 또는 이들의 합금 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트 부재와 배터리 셀의 서로 마주하는 면에는 각각 조립 돌기 및 조립 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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