KR20190136636A

KR20190136636A - 에너지 저장장치

Info

Publication number: KR20190136636A
Application number: KR1020180062606A
Authority: KR
Inventors: 손상우
Original assignee: 엘에스엠트론 주식회사
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2019-12-10
Also published as: KR102425490B1

Abstract

본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로, 베어셀이 수용되는 바디 케이스; 상기 바디 케이스의 상부에 끼워져서 개방부가 밀폐되도록 결합되며, 몸체에 해당하는 상판 부재, 상기 상판 부재 상의 터미널 돌출부 및 상기 터미널 돌출부 상의 제1 외부 터미널을 구비하는 상부 케이스; 및 상기 바디 케이스의 일단에 형성된 커링 가공부와 상기 상부 케이스의 상판 부재 사이에 배치되며, 상기 터미널 돌출부를 관통하기 위한 홀과, 상기 커링 가공부와 맞닿는 기판 영역 상에 형성된 제1 전도성 메탈층과, 상기 홀의 인접 영역에 형성된 제2 전도성 메탈층을 구비하는 회로기판을 포함한다.

Description

에너지 저장장치{ENERGY STORAGE DEVICE}

본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 내장형 밸런싱 회로기판을 구비하는 에너지 저장장치에 관한 것이다.

전기 에너지를 저장하는 에너지 저장장치로는 전지(battery)와 캐패시터(capacitor)가 있다. 이러한 캐패시터 중 울트라 캐패시터(Ultra-Capacitor, UC)는 슈퍼 캐패시터(Super Capacitor, SC) 또는 전기 이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)라고도 불리며, 전해 콘덴서와 이차전지의 중간적인 특성을 갖는 에너지 저장장치로써 높은 효율, 반영구적인 수명 특성으로 인해 이차전지와의 병용 및 대체 가능한 차세대 에너지 저장장치이다.

울트라 캐패시터는, 유지보수(Maintenance)가 용이하지 않고 장기간의 사용 수명이 요구되는 애플리케이션(Application)에 대해서는 축전지 대체용으로 이용되기도 한다. 울트라 캐패시터는 빠른 충/방전 특성을 가지며, 이에 따라 이동통신 정보기기인 핸드폰, 노트북, PDA 등의 보조 전원뿐만 아니라, 고 용량이 요구되는 전기자동차, 야간 도로 표시등, UPS(Uninterrupted Power Supply) 등의 주 전원 혹은 보조 전원으로 매우 적합하며, 이와 같은 용도로 많이 이용되고 있다.

이러한 울트라 캐패시터를 적용함에 있어서, 고전압용 전지로 사용되기 위해서는 수천 패럿(Farad) 또는 수백 볼트(Voltage)의 고전압 모듈(module)이 필요하다. 고전압 모듈은 각각의 단위 셀인 울트라 캐패시터가 필요한 수량만큼 직렬로 연결되어 고전압용 울트라 캐패시터 어셈블리로 구성된다. 이와 같이 직렬로 연결된 고전압용 울트라 캐패시터 모듈은 특성 인자의 차이로 인해 충전, 대기 또는 방전 중에 셀 전압이 쉽게 불균형 상태가 된다. 이로 인해 셀의 노화가 촉진됨은 물론 해당 모듈의 SOC(State Of Charge) 용량이 감소하게 된다. 또한, 일부 셀의 과전압 상태로 인해 해당 셀이 파괴되거나 폭발이 발생하는 경우가 발생하므로 이를 제어하기 위한 셀 밸런싱(cell balancing)이 필요하다.

이를 해결하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 울트라 캐패시터들(11)과, 상기 울트라 캐패시터들(11)을 체결하기 위한 연결 부재(15)와, 상기 울트라 캐패시터들(11)의 전압을 제어하기 위한 복수의 밸런싱 회로기판(17)을 포함하는 울트라 캐패시터 모듈(10)이 제안되었다.

종래의 울트라 캐패시터 모듈(10)은 너트 형상의 연결 부재(15)를 통해 서로 인접하는 울트라 캐패시터들(11)의 음극 단자(13)와 양극 단자(12)를 전기적으로 연결할 수 있다.

한편, 각 밸런싱 회로기판(17)을 이용하여 각 울트라 캐패시터(11)의 전압을 제어하기 위해서는, 밸런싱 회로기판(17)과 울트라 캐패시터(11)가 전기적으로 연결되어야 한다. 이를 위하여, 종래의 울트라 캐패시터 모듈(10)은 밸런싱 회로기판(17)에 결합된 커넥터(18)를 하네스(또는 와이어, 19)로 연결하여 (+) 전류를 인가 받고, 밸런싱 회로기판(17)이 연결 부재(15)에 접촉하여 (-) 전류를 인가 받음으로써, 각각의 밸런싱 회로기판(17)과 각각의 울트라 캐패시터(11)를 전기적으로 연결할 수 있다. 즉, 각각의 밸런싱 회로기판(17)은 너트 형상의 연결 부재(15)를 통해 울트라 캐패시터(11)의 음극 단자(13)와 전기적으로 연결될 수 있고, 하네스를 통해 해당 울트라 캐패시터(11)의 양극 단자(12)와 전기적으로 연결될 수 있다.

하지만, 복수의 커넥터(18)와 복수의 하네스(19)를 이용하는 울트라 캐패시터 모듈은 작업자의 실수로 커넥터의 연결을 누락할 수 있고, 탄성 부재(16)가 각각의 밸런싱 회로기판(17)을 제대로 지지하지 못하여 각각의 밸런싱 회로기판(17)에 전류를 공급하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 복수의 하네스(19)에서 발생하는 열로 인해 울트라 캐패시터 모듈의 성능이 저하될 수 있고, 울트라 캐패시터 사이에 하네스(19)가 끼여 하네스(19)의 피복이 벗겨지거나 끊어지는 문제가 발생할 수 있다. 또한 복수의 커넥터(18) 및 하네스(19)로 인하여 울트라 캐패시터 모듈의 제조 단가가 상승하는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 내장형 밸런싱 회로기판을 구비하는 에너지 저장장치를 제공함에 있다.

또 다른 목적은 자체 밸런싱 기능을 갖는 밸런싱 회로기판을 구비하는 에너지 저장장치를 제공함에 있다.

또 다른 목적은 양극 단자 및 음극 단자와 전기적으로 연결 가능한 구조를 갖는 밸런싱 회로기판을 구비하는 에너지 저장장치를 제공함에 있다.

또 다른 목적은 바디 케이스의 커링 가공부와 상부 케이스 사이에 배치되어, 상기 커링 가공부와 상부 케이스 간의 쇼트(short)를 방지하는 밸런싱 회로기판을 구비하는 에너지 저장장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 베어셀이 수용되는 바디 케이스; 상기 바디 케이스의 상부에 끼워져서 개방부가 밀폐되도록 결합되며, 몸체에 해당하는 상판 부재, 상기 상판 부재 상의 터미널 돌출부 및 상기 터미널 돌출부 상의 제1 외부 터미널을 구비하는 상부 케이스; 및 상기 바디 케이스의 일단에 형성된 커링 가공부와 상기 상부 케이스의 상판 부재 사이에 배치되며, 상기 터미널 돌출부를 관통하기 위한 홀과, 상기 커링 가공부와 맞닿는 기판 영역 상에 형성된 제1 전도성 메탈층과, 상기 홀의 인접 영역에 형성된 제2 전도성 메탈층을 구비하는 회로기판을 포함하는 에너지 저장장치를 제공한다.

좀 더 바람직하게는, 상기 회로기판은, 에너지 저장장치의 전압을 제어하기 위한 셀 밸런싱 회로부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 회로기판은, 제1 전도성 메탈층을 통해 커링 가공부의 하면과 접촉되어 양극의 극성을 갖는 바디 케이스와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

좀 더 바람직하게는, 상기 회로기판은 상기 회로기판은, 제2 전도성 메탈층을 통해 상판 부재 및 터미널 돌출부 중 적어도 하나와 접촉되어 음극의 극성을 갖는 제1 외부 터미널과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 회로기판은, 제1 외부 터미널과 전기적으로 연결되는 상부 케이스와 제2 외부 터미널과 전기적으로 연결되는 바디 케이스 간의 쇼트(short)를 방지하는 것을 특징으로 한다.

좀 더 바람직하게는, 상기 회로기판은, 커링 가공부에 의해 고정되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 회로기판의 너비는 상판 부재의 너비와 동일하거나 혹은 그보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.

좀 더 바람직하게는, 상기 홀의 너비는, 터미널 돌출부의 너비와 동일하거나 혹은 그보다 더 크게 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제1 전도성 메탈층은, 회로기판 상면의 맨 가장자리 영역을 따라 원형의 고리 모양으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

좀 더 바람직하게는, 상기 제2 전도성 메탈층은, 홀의 주변 영역을 따라 원형의 고리 모양으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제2 전도성 메탈층은, 홀에 인접한 회로기판의 측면 영역 및 하면 영역 중 적어도 하나에 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 에너지 저장장치의 양극 단자 및 음극 단자와 전기적으로 연결 가능한 구조를 갖는 밸런싱 회로기판을 구비함으로써, 별도의 하네스 및 커넥터를 마련하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있고, 상기 하네스 및 커넥터를 기판에 제조하는 공정을 생략하여 제품 생산성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 상부 케이스와 바디 케이스의 커링 가공부 사이에 배치되는 밸런싱 회로기판을 구비함으로써, 상기 상부 케이스와 커링 가공부 간의 쇼트(short)를 방지하기 위한 절연 부재를 마련하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있고, 상기 절연 부재를 장착하는 공정을 생략하여 제품 생산성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 에너지 저장장치 모듈을 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 외관을 도시한 사시도;
도 3은 도 2의 에너지 저장장치의 분해 사시도;
도 4는 도 2의 에너지 저장장치의 구성을 도시한 단면도;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸런싱 회로기판의 형상을 나타내는 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치 모듈을 나타내는 도면;
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장장치 모듈을 나타내는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 첨부된 도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

본 발명은 내장형 밸런싱 회로기판을 구비하는 에너지 저장장치를 제안한다. 또한, 본 발명은 자체 밸런싱 기능을 갖는 밸런싱 회로기판을 구비하는 에너지 저장장치를 제안한다. 또한, 본 발명은 양극 단자 및 음극 단자와 전기적으로 연결 가능한 구조를 갖는 밸런싱 회로기판을 구비하는 에너지 저장장치를 제안한다. 또한, 본 발명은 바디 케이스의 커링 가공부와 상부 케이스 사이에 배치되어, 상기 커링 가공부와 상부 케이스 간의 쇼트(short)를 방지하는 밸런싱 회로기판을 구비하는 에너지 저장장치를 제안한다.

이하 본 명세서에서는, 설명의 편의상, 제1 내부 터미널 및 제1 외부 터미널을 "음극 단자"라 통칭하고, 제2 내부 터미널 및 제2 외부 터미널을 "양극 단자"라 통칭하도록 한다.

이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 외관을 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 에너지 저장장치의 분해 사시도이며, 도 4는 도 2의 에너지 저장장치의 구성을 도시한 단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(100)는 베어셀(105), 상기 베어셀(105)의 음극 전극과 양극 전극에 각각 대면하여 배치되는 제1 및 제2 내부 터미널(120, 140), 상기 베어셀(105)과 제1 및 제2 내부 터미널(120, 140)을 수용하는 바디 케이스(110), 상기 바디 케이스(110)의 상부를 커버하는 상부 케이스(130), 상기 상부 케이스(130)의 상면과 상기 바디 케이스(110)의 하면에 각각 형성되는 제1 및 제2 외부 터미널(131, 111) 및 상기 상부 케이스(130)의 상면에 배치되는 밸런싱 회로기판(160)을 포함할 수 있다.

베어셀(105)은 양극 전극, 음극 전극 및 세퍼레이터(separator)가 원통형으로 권취되어 형성되며, 전기화학적 에너지 저장기능을 제공한다. 상기 베어셀(105)에는 전기 에너지의 충전을 위한 전해액이 함침된다. 이때, 전해액 함침은 베어셀(105)을 전해액이 채워져 있는 용기 속에 일정시간 침지시킴으로써 수행될 수 있다.

양극 전극 및 음극 전극은 금속 재질의 집전체 및 집전체의 양면에 활성탄소(Activated Carbon)를 이용하여 형성된 활성물질층을 포함한다. 여기서, 집전체는 금속 포일(Foil)을 이용하여 구성될 수 있고, 활성물질층은 집전체의 양면에 코팅되어 구성될 수 있다. 활성물질층은 전기에너지를 충/방전하는 역할을 수행하고, 집전체는 활성물질층으로부터 방출되거나 공급되는 전하의 이동 통로 역할을 수행한다.

바디 케이스(110)는 권취소자 형태로 가공된 베어셀(105)을 수용할 수 있는 수용공간이 형성된 원통형의 몸체를 갖는다. 상기 원통형 몸체는 베어셀(105)을 소정 간격만큼 이격된 상태로 둘러싸도록 형성될 수 있다. 또한, 바디 케이스(110)는 알루미늄 원통 형태로 구성될 수 있다.

바디 케이스(110)에는 상부 케이스(120) 및 밸런싱 회로기판(160)을 고정하기 위하여 상단에서 내측으로 구부러진 형태의 커링 가공부(112)가 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 커링 가공부(112)는 곡면 형상을 갖도록 바디 케이스(110)의 단부가 굴곡되어 형성될 수 있다. 셀 조립 시, 밸런싱 회로기판(160)을 상부 케이스(130)의 상면에 배치한 후 바디 케이스(110)의 일단을 내측 방향으로 구부려 커링 가공부(112)를 형성할 수 있다.

바디 케이스(110)의 커링 가공부(112)는 밸런싱 회로기판(160)의 상면에 접촉되도록 구성되어, 상기 밸런싱 회로기판(160)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 밸런싱 회로기판(160)은 에너지 저장장치(100)의 양극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다.

바디 케이스(110)에는 제2 내부 터미널(140)과 전기적으로 연결되는 제2 외부 터미널(111)이 일체로 형성될 수 있다. 따라서, 제2 내부 터미널(140)과 전기적으로 연결되는 바디 케이스(110)와 커링 가공부(112)는 양극의 극성을 가질 수 있다.

제2 외부 터미널(111)은 바디 케이스(110)의 하단 중심부에서 하부 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제2 외부 터미널(111)의 외주면에는 다른 에너지 저장장치와 결합하기 위한 나사산이 형성될 수 있다.

상부 케이스(130)는 바디 케이스(110)의 상부에 끼워져서 개방부가 밀폐되도록 결합되고, 원형의 외주를 갖는 판상 형 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 상부 케이스(130)는 몸체에 해당하는 상판 부재(133)와, 상기 상판 부재(133)의 상부에 형성되는 터미널 돌출부(132)와, 상기 터미널 돌출부(132)의 상부에 형성되는 제1 외부 터미널(131)과, 상기 상판 부재(133)의 하부에 형성되는 결합 돌출부(134)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 상판 부재(133), 터미널 돌출부(132), 제1 외부 터미널(131) 및 결합 돌출부(134)는 일체로 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.

상판 부재(133)는 베어셀(105) 및 제1 내부 터미널(120)의 상부에 배치되며, 바디 케이스(110)의 상부와 결합될 수 있다. 상기 상판 부재(133)는 바디 케이스(110)의 상부에 형성된 개방부를 밀폐하도록 원형의 판상 구조로 형성될 수 있다.

터미널 돌출부(132)는 상판 부재(133)의 중심부에서 상부 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 터미널 돌출부(132)는 원형의 판상 구조로 형성될 수 있다. 상기 터미널 돌출부(132)의 지름은 상판 부재(133)의 지름보다 작게 형성될 수 있다.

제1 외부 터미널(131)은 터미널 돌출부(132)의 중심부에서 상부 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 상기 제1 외부 터미널(131)의 지름은 터미널 돌출부(132)의 지름보다 작게 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 외부 터미널(131)과 터미널 돌출부(132)는 소정의 단차를 형성할 수 있다.

제1 외부 터미널(131)은 상판 부재(133), 터미널 돌출부(132) 및 결합 돌출부(134)와 일체로 형성되기 때문에, 상기 결합 돌출부(134)와 접촉하는 제1 내부 터미널(120)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 외부 터미널(131)의 외주면에는 다른 에너지 저장장치와 결합하기 위한 나사산이 형성될 수 있다.

결합 돌출부(134)는 상판 부재(133)의 가장자리 영역에서 하부 측으로 돌출되어, 원형의 외주와 동심원을 가지며 내부가 개방되도록 형성될 수 있다. 상기 결합 돌출부(134)는 적어도 일 부분이 제1 내부 터미널(120)과 접촉되어, 상기 제1 내부 터미널(120)과 전기적으로 연결될 수 있다.

결합 돌출부(134)는 제1 내부 터미널(120)의 측면 프레임에 삽입 결합되어 상부 케이스(130)와 제1 내부 터미널(120) 사이에 내부 공간(135)을 제공할 수 있다. 이러한 내부 공간(135)은 바디 케이스(110)의 내부 압력을 낮출 수 있는 공간으로 활용될 수 있다.

상부 케이스(130)에는 전해질을 주입하기 위한 패스와 진공 작업을 위한 에어 벤트(Air Vent)로 사용되는 중공이 형성될 수 있고, 이러한 중공에는 바디 케이스(110) 내의 증가된 압력을 외부로 배출하기 위한 안전변(170)이 설치될 수 있다.

상부 케이스(130)는 바디 케이스(110)에 대한 비딩(Beading) 가공을 통해 바디 케이스(110)에 고정될 수 있다. 견고한 고정을 위해, 상부 케이스(130)의 외주면 둘레에는 바디 케이스(110)의 내부면에 비딩 가공부를 형성하기 위한 비딩용 그루브(미도시)가 구비된다. 한편, 변형 예로서, 비딩용 그루브는 상부 케이스(130)의 외주면 둘레의 일부 구간에만 형성될 수도 있다. 전술한 바와 같이 상부 케이스(130)는 커링 가공부(112)에 의해 이탈이 방지되므로 이와 같이 비딩용 그루브가 일부 구간에만 형성되더라도 상부 케이스(130)는 바디 케이스(110)에 고정될 수 있다. 이 경우, 상부 케이스(130)의 구조를 보다 단순화 할 수 있을 뿐만 아니라 상부 케이스(130)의 제작 시 단조 가공을 용이하게 적용할 수 있다.

제1 내부 터미널(120)은 바디 케이스(110)의 내부에서 베어셀(105)의 음극 전극과 대면하도록 배치될 수 있고, 제2 내부 터미널(140)은 바디 케이스(110)의 내부에서 베어셀(105)의 양극 전극과 대면하도록 배치될 수 있다. 이때, 제1 및 제2 내부 터미널(120, 140)과 베어셀(105)은 레이저 또는 초음파 용접에 의해 면 접촉 결합될 수 있다.

제1 내부 터미널(120)은 바디 케이스(110)의 상부에 배치되며, 베어셀(105)의 음극 전극과 전기적으로 연결될 수 있고, 절연 부재(150)에 의해 바디 케이스(110)에 대하여 절연되는 동시에 상부 케이스(130)에 접촉되어 상부 케이스(130)의 상단부 중심에 마련된 제1 외부 터미널(121)과 전기적으로 연결될 수 있다.

제2 내부 터미널(140)은 바디 케이스(110)의 하부에 배치되며, 베어셀(105)의 양극 전극과 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 바디 케이스(110)에 접촉되어 바디 케이스(110)의 하단부 중심에 마련된 제2 외부 터미널(111)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 내부 터미널(140)의 측면 프레임과 바디 케이스(110)가 일체로 결합됨에 따라 그 사이에는 내부 공간이 마련되어, 바디 케이스(110)의 내부 압력을 낮출 수 있는 공간으로 활용될 수 있다.

제1 및 제2 내부 터미널(120, 140)은 일면이 베어셀(105)과 대면하여 면 접촉되고 원판 형상을 가지는 평면 플레이트와, 상기 평면 플레이트의 타면 가장자리로부터 수직방향으로 연장되고 원통 형상을 가지는 측면 프레임으로 이루어질 수 있다.

제1 및 제2 내부 터미널(120, 140)의 평면 플레이트에는 복수개의 통공(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 통공을 마련한 이유는, 상부 케이스(130)의 중공을 통해 주입되는 전해질을 베어셀(105)로 공급하기 위한 패스(path)를 제공하기 위함이다.

밸런싱 회로기판(160)은 상부 케이스(130)의 상판 부재(133)와 바디 케이스(110)의 커링 가공부(112) 사이에 배치되어, 에너지 저장장치(100)의 전압을 제어하는 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. 셀 밸런싱(또는 전압 밸런싱)이란 저항을 각 셀에 병렬로 연결하여 셀 간 전압 편차를 줄여주는 것이다.

밸런싱 회로기판(160)은 에너지 저장장치(100)의 셀 밸런싱을 수행하기 위한 회로부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 밸런싱 회로기판(160)은 인쇄회로기판(PCB)일 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 에너지 저장장치(100)의 전압이 미리 결정된 전압 이상이 되면, 밸런싱 회로기판(160)은 회로부를 작동하여 상기 에너지 저장장치(100)의 전압을 낮출 수 있다.

밸런싱 회로기판(160)은 상부 케이스(130)의 상판 부재(133)와 바디 케이스(110)의 커링 가공부(112) 사이에 배치되어, 제1 외부 터미널(131)과 전기적으로 연결되는 상부 케이스(130)와 제2 외부 터미널(111)과 전기적으로 연결되는 바디 케이스(110) 간의 쇼트(short)를 방지하는 절연 기능을 수행할 수 있다. 이에 따라, 상부 케이스(130)의 가장자리 영역과 바디 케이스(110)의 커링 가공부(112) 사이에 별도의 절연부재를 배치할 필요가 없다.

밸런싱 회로기판(160)의 중심부에는 에너지 저장장치(100)의 상부에 형성된 제1 외부 터미널(131)과 터미널 돌출부(132)를 관통하기 위한 홀(hole)이 형성될 수 있다. 상기 밸런싱 회로기판(160)은 중심부에 형성된 홀을 통해 터미널 돌출부(132)의 외주면을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 이러한 배치 구조를 위해, 밸런싱 회로기판(160)의 중심부에 형성된 홀의 너비(또는 지름)는 터미널 돌출부(132)의 너비(또는 지름)와 동일하거나 혹은 그보다 약간 더 크게 형성될 수 있다.

밸런싱 회로기판(160)은 바디 케이스(110)의 커링 가공부(112)와 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 일 예로, 밸런싱 회로기판(160)의 상면에는 바디 케이스(110)의 커링 가공부(112)의 하면과 접촉하기 위한 제1 전도성 메탈층(161)이 형성될 수 있다. 상기 제1 전도성 메탈층(161)은 밸런싱 회로기판(160) 상면의 맨 가장자리 영역을 따라 원형의 고리 모양으로 형성될 수 있다.

밸런싱 회로기판(160)은 제1 전도성 메탈층을 통해 양극의 극성을 갖는 바디 케이스(110)와 전기적으로 연결되어, 상기 바디 케이스(110)로부터 양극 전류를 제공 받을 수 있다.

밸런싱 회로기판(160)은 상부 케이스(130)의 터미널 돌출부(132) 및 상판 부재(133) 중 적어도 하나와 전기적으로 연결되도록 구성할 수 있다. 일 예로, 밸런싱 회로기판(160)의 홀 주변 영역에는 상부 케이스(130)와 접촉하기 위한 제2 전도성 메탈층(163)이 형성될 수 있다. 상기 제2 전도성 메탈층(163)은 밸런싱 회로기판(160)의 홀 주변 영역을 따라 원형의 고리 모양으로 형성될 수 있다.

밸런싱 회로기판(160)은 제2 전도성 메탈층을 통해 음극의 극성을 갖는 상부 케이스(130)와 전기적으로 연결되어, 상기 상부 케이스(130)로부터 음극 전류를 제공 받을 수 있다.

이처럼, 본 발명에 따른 에너지 저장장치(100)를 이용한 에너지 저장장치 모듈은 별도의 하네스 및 커넥터의 설치를 요구하지 않기 때문에 상기 하네스 및 커넥터를 마련하는데 소요되는 비용을 절감하여 해당 모듈의 시장 경쟁력을 높일 수 있다. 또한, 상기 에너지 저장장치 모듈은 하네스 및 커넥터를 기판에 연결하는 제작 공정을 생략할 수 있어 해당 모듈의 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 에너지 저장장치 모듈은 복수의 하네스에서 발생하는 열로 인한 성능 저하를 방지할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸런싱 회로기판의 형상을 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 밸런싱 회로기판(500)은 에너지 저장장치(100)의 제1 외부 터미널(131) 및 터미널 돌출부(132)를 관통하기 위한 홀(510), 에너지 저장장치(100)의 셀 밸런싱을 수행하기 위한 회로부(520), 상기 밸런싱 회로기판(500)의 가장자리 영역을 따라 형성된 제1 전도성 메탈층(530), 상기 밸런싱 회로기판(500)의 홀 주변을 따라 형성된 제2 전도성 메탈층(540)을 포함할 수 있다.

이러한 밸런싱 회로기판(500)은 상부 케이스(130)와 바디 케이스(110)의 커링 가공부(112) 사이에 배치되어, 에너지 저장장치(100)의 전압(V)을 제어할 수 있다. 또한, 밸런싱 회로기판(500)은 상부 케이스(130)와 바디 케이스(110)의 커링 가공부(112) 사이에 배치되어, 제1 외부 터미널(131)과 전기적으로 연결되는 상부 케이스(130)와 제2 외부 터미널(111)과 전기적으로 연결되는 바디 케이스(110) 간의 쇼트(short)를 방지할 수 있다.

밸런싱 회로기판(500)은 원형의 내부 홀과 원형의 외주를 갖는 판상 형 구조로 형성될 수 있다. 상기 밸런싱 회로기판(500)의 너비(또는 지름)는 상부 케이스(130)의 상판 부재(133)의 너비와 동일하거나 혹은 그보다 조금 작게 형성될 수 있다.

홀(510)은 에너지 저장장치(100)의 제1 외부 터미널(131) 및 터미널 돌출부(132)를 관통하기 위한 개구 영역으로서, 밸런싱 회로기판(500)의 중심부에 원 모양으로 형성될 수 있다. 밸런싱 회로기판(500)이 터미널 돌출부(132)의 외주면을 둘러싸도록, 상기 밸런싱 회로기판(500)의 홀(510) 너비는 터미널 돌출부(132)의 너비와 동일하거나 혹은 그보다 약간 더 크게 형성될 수 있다.

회로부(또는 셀 밸런싱 회로부, 520)는 에너지 저장장치(100)의 셀 밸런싱을 수행하기 위한 수동 소자 및/또는 능동 소자들을 포함하며, 회로 배선을 통해 제1 및 제2 전도성 메탈층(530, 540)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 회로부(520)는 제1 전도성 메탈층(530)과 제2 전도성 메탈층(540) 사이의 회로기판 상에 설치되는 것이 바람직하다.

제1 전도성 메탈층(530)은 밸런싱 회로기판(500) 상면의 맨 가장자리 영역을 따라 원형의 고리 모양으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 전도성 메탈층(530)은 바디 케이스(110)의 커링 가공부(112)와 접촉되는(또는 맞닿는) 회로기판 영역에 형성될 수 있다. 이에 따라, 밸런싱 회로기판(500)은 제1 전도성 메탈층(530)을 통해 양극 극성을 갖는 바디 케이스(110)와 전기적으로 연결되어, 상기 바디 케이스(110)로부터 양극 전류를 제공 받을 수 있다.

제2 전도성 메탈층(540)은 밸런싱 회로기판(500)의 홀(510) 주변 영역을 따라 원형의 고리 모양으로 형성될 수 있다. 상기 제2 전도성 메탈층(540)은 홀(510)에 인접한 밸런싱 회로기판(500)의 측면 영역 및 하면 영역 중 적어도 하나에 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 전도성 메탈층(540)은 홀(510)에 인접한 밸런싱 회로기판(500)의 상면 영역에 형성될 수도 있다.

밸런싱 회로기판(500)의 측면 영역에 형성된 제2 전도성 메탈층(540)은 상부 케이스(130)의 터미널 돌출부(132)와 전기적으로 연결될 수 있고, 밸런싱 회로기판(500)의 하면 영역에 형성된 제2 전도성 메탈층(540)은 상부 케이스(130)의 상판 부재(133)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 밸런싱 회로기판(500)은 제2 전도성 메탈층(540)을 통해 음극 극성을 갖는 상부 케이스(130)와 전기적으로 연결되어, 상기 상부 케이스(130)로부터 음극 전류를 제공 받을 수 있다.

제2 전도성 메탈층(540)은 제1 전도성 메탈층(530)과 동일한 금속 재질로 형성될 수 있다. 또한, 밸런싱 회로기판(500) 상에 코딩된 제2 전도성 메탈층(540)의 너비는 상기 밸런싱 회로기판(500) 상에 코딩된 제1 전도성 메탈층(540)의 너비와 동일하거나 혹은 다르게 형성될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치 모듈을 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치 모듈(200)은, 복수의 에너지 저장장치들(100a, 100b)과, 상기 복수의 에너지 저장장치들(100a, 100b)을 직렬로 연결하기 위한 복수의 연결 부재(210)를 포함할 수 있다.

각 에너지 저장장치(100a, 100b)의 전압은 3V 이하에 불과하므로 고전압 어플리케이션에 이용하고자 할 경우에는 다수 개의 에너지 저장장치를 직렬로 연결할 수 있다. 이때, 서로 이웃하는 에너지 저장장치들은 연결 부재(210)를 통해 체결될 수 있다. 즉, 제1 에너지 저장장치(100a)의 하부에 형성된 제2 외부 터미널(111)과 제2 에너지 저장장치(100b)의 상부에 형성된 제1 외부 터미널(131)를 연결 부재(210)를 이용하여 체결함으로써 제1 및 제2 에너지 저장장치(100a, 100b)를 직렬로 연결시킬 수 있다. 다수의 에너지 저장장치를 연결하는 경우에는 해당 절차를 반복함으로써 다수의 에너지 저장장치를 직렬로 연결할 수 있다.

각 에너지 저장장치(100a, 100b)의 상부 및 하부에 위치하는 제1 및 제2 외부 터미널(131, 111)의 외주면에는 나사산(A)이 형성될 수 있으며, 연결 부재(210)의 내주면에는 상기 제1 및 제2 외부 터미널(131, 111)의 나사산(A)에 대응하는 형상을 갖는 나사구(B)가 형성될 수 있다. 여기서, 상기 나사산(A)과 나사구(B)는 서로 같은 방향으로 형성될 수 있다.

연결 부재(210)의 일 측에 제1 에너지 저장장치(100a)의 제2 외부 터미널(111)을 연결하고, 연결 부재(210)의 타 측에 제2 에너지 저장장치(100b)의 제1 외부 터미널(131)을 연결한 다음 같은 방향으로 회전시킴으로써 제1 및 제2 에너지 저장장치(100a, 100b)를 제1 및 제2 외부 터미널(131, 111)이 형성된 길이 방향으로 연결시킬 수 있다.

한편, 다른 실시 예로, 각 에너지 저장장치(100a, 100b)의 제1 외부 터미널(131)에 형성된 나사산의 방향과 제2 외부 터미널(111)에 형성된 나사선의 방향을 서로 다른 방향으로 형성할 수 있다. 이에 따라, 연결 부재(210)의 일 측에 제1 에너지 저장장치(100a)의 제2 외부 터미널(111)을 연결하고, 연결 부재(210)의 타 측에 제2 에너지 저장장치(100b)의 제1 외부 터미널(131)을 연결한 다음 반대 방향으로 회전시킴으로써 제1 및 제2 에너지 저장장치(100a, 100b)를 제1 및 제2 외부 터미널이 형성된 길이 방향으로 연결시킬 수 있다.

본 실시 예에서 사용되는 연결 부재(210)는 전기 전도성을 가진 금속 재질의 너트(nut)일 수 있으며 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 연결 부재(210)의 일 측에는 가스 배출 홀(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 가스 배출 홀은 에너지 저장장치들(100a, 100b)의 충/방전 시 발생하는 가스를 외부로 배출시키는 역할을 수행할 수 있다.

밸런싱 회로기판(160)은 상부 케이스(130)와 바디 케이스(110)의 커링 가공부(112) 사이에 배치되어, 각 에너지 저장장치(100a, 100b)의 전압을 제어하는 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. 상기 밸런싱 회로기판(160)은 에너지 저장장치(100a)에 실장되어, 에너지 저장장치 모듈(200)의 일 부품이 아닌 에너지 저장장치(100a)의 일 부품으로 기능한다.

밸런싱 회로기판(160)의 중심부에는 에너지 저장장치(100a)의 상부에 형성된 제1 외부 터미널(131)과 터미널 돌출부(132)를 관통하기 위한 홀(hole)이 형성될 수 있다. 상기 밸런싱 회로기판(160)은 중심부에 형성된 홀을 통해 터미널 돌출부(132)의 외주면을 둘러싸도록 배치될 수 있다.

밸런싱 회로기판(160)의 상면 중 가장자리 영역에는 바디 케이스(110)의 커링 가공부(112)와 접촉하기 위한 제1 전도성 메탈층(미도시)이 코팅되어 형성될 수 있다. 밸런싱 회로기판(160)은 제1 전도성 메탈층을 통해 양극 극성을 갖는 바디 케이스(110)와 전기적으로 연결되어, 상기 바디 케이스(110)로부터 양극 전류를 제공 받을 수 있다.

밸런싱 회로기판(160)의 홀 주변 영역에는 상부 케이스(130)와 접촉하기 위한 제2 전도성 메탈층(미도시)이 코팅되어 형성될 수 있다. 밸런싱 회로기판(160)은 제2 전도성 메탈층을 통해 음극 극성을 갖는 상부 케이스(130)와 전기적으로 연결되어, 상기 상부 케이스(130)로부터 음극 전류를 제공 받을 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치 모듈은 밸런싱 회로기판이 내장된 다수의 에너지 저장장치들을 구비함으로써, 하네스 및 커넥터를 마련하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 하네스와 커넥터를 기판에 제조하는 공정을 생략할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장장치 모듈을 나타내는 도면이다. 본 발명에 따른 에너지 저장장치 모듈(300)의 기본적인 구성은 상술한 에너지 저장장치 모듈(200)과 동일하나, 에너지 저장장치(100)의 배치 방법과 연결 방법에 있어서 상술한 에너지 저장장치 모듈(200)과 차이점을 갖는다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 상술한 에너지 저장장치 모듈(200)과 동일한 구성은 동일한 도면 부호를 사용하고, 상술한 에너지 저장장치 모듈(200)과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장장치 모듈(300)은, 복수의 에너지 저장장치(100a, 100b), 상기 복수의 에너지 저장장치(100a, 100b)를 직렬로 연결하기 위한 복수의 연결 부재(310) 및 상기 복수의 연결 부재(310)를 고정하기 위한 복수의 체결 부재(320)를 포함할 수 있다.

복수의 에너지 저장장치들(100a, 100b)은 미리 정해진 거리만큼 이격되어, 에너지 저장장치의 폭 방향으로 나란하게 배치될 수 있다. 여기서, 제1 에너지 저장장치(100a)의 제1 외부 터미널(131)과 상기 제1 에너지 저장장치(100a)와 인접한 제2 에너지 저장장치(100b)의 제2 외부 터미널(111)이 동일 선상에 위치하도록 배치될 수 있다.

연결 부재(또는 부스바, 310)는 제1 에너지 저장장치(100a)의 제1 외부 터미널(131)과 제2 에너지 저장장치(100b)의 제2 외부 터미널(111)을 전기적으로 연결할 수 있다.

연결 부재(310)는 바 형상일 수 있으며, 제1 에너지 저장장치(100a)의 제1 외부 터미널(131)과 연결 가능한 제1 체결 홈(미도시)과 제2 에너지 저장장치(100b)의 제2 외부 터미널(111)과 연결 가능한 제2 체결 홈(미도시)을 구비할 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 연결 부재(310)의 제1 체결 홈에 제1 에너지 저장장치(100a)의 제1 외부 터미널(131)를 삽입하고, 연결 부재(310)의 제2 체결 홈에 제2 에너지 저장장치(100b)의 제2 외부 터미널(111)을 삽입함으로써, 상기 제1 및 제2 에너지 저장장치들(100a, 100b)을 직렬로 연결할 수 있다.

연결 부재(310)의 제1 체결 홈을 관통한 제1 외부 터미널(131)의 상부와, 연결 부재(310)의 제2 체결 홈을 관통한 제2 외부 터미널(111)의 상부에는 각각 체결 부재(320)가 나사 결합되며, 이를 통해 연결 부재(310)의 이탈을 방지할 수 있다.

한편, 본 실시 예에서는 연결 부재(310)를 고정하기 위해 체결 부재(320)를 사용하는 것을 예시하고 있으나 이를 제한하지는 않으며, 상기 체결 부재 대신 용접 등의 방법으로 연결 부재(310)를 고정할 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장장치 모듈은 밸런싱 회로기판이 내장된 다수의 에너지 저장장치를 구비함으로써, 하네스 및 커넥터를 마련하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 하네스와 커넥터를 기판에 제조하는 공정을 생략할 수 있다.

이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 에너지 저장장치 105: 베어셀
110: 바디 케이스 111: 제2 외부 터미널
112: 커링 가공부 120: 제1 내부 터미널
130: 상부 케이스 135: 내부 공간
131: 제1 외부 터미널 132: 터미널 돌출부
133: 상판 부재 134: 결합 돌출부
140: 제2 내부 터미널 150: 절연 부재
160: 밸런싱 회로기판 170: 안전변
200, 300: 에너지 저장장치 모듈

Claims

베어셀이 수용되는 바디 케이스;
상기 바디 케이스의 상부에 끼워져서 개방부가 밀폐되도록 결합되며, 몸체에 해당하는 상판 부재, 상기 상판 부재 상의 터미널 돌출부 및 상기 터미널 돌출부 상의 제1 외부 터미널을 구비하는 상부 케이스; 및
상기 바디 케이스의 일단에 형성된 커링 가공부와 상기 상부 케이스의 상판 부재 사이에 배치되며, 상기 터미널 돌출부를 관통하기 위한 홀과, 상기 커링 가공부와 맞닿는 기판 영역 상에 형성된 제1 전도성 메탈층과, 상기 홀의 인접 영역에 형성된 제2 전도성 메탈층을 구비하는 회로기판을 포함하는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 회로기판은, 상기 에너지 저장장치의 전압을 제어하기 위한 셀 밸런싱 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 회로기판은, 상기 제1 전도성 메탈층을 통해 상기 커링 가공부의 하면과 접촉되어 양극의 극성을 갖는 바디 케이스와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 회로기판은, 상기 제2 전도성 메탈층을 통해 상기 상판 부재 및 터미널 돌출부 중 적어도 하나와 접촉되어 음극의 극성을 갖는 제1 외부 터미널과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 회로기판은, 상기 제1 외부 터미널과 전기적으로 연결되는 상부 케이스와 제2 외부 터미널과 전기적으로 연결되는 바디 케이스 간의 쇼트(short)를 방지하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 회로기판은, 상기 커링 가공부에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 회로기판의 너비는 상기 상판 부재의 너비와 동일하거나 혹은 그보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 홀의 너비는, 상기 터미널 돌출부의 너비와 동일하거나 혹은 그보다 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 전도성 메탈층은, 회로기판 상면의 맨 가장자리 영역을 따라 원형의 고리 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 전도성 메탈층은, 상기 홀의 주변 영역을 따라 원형의 고리 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 전도성 메탈층은, 상기 홀에 인접한 회로기판의 측면 영역 및 하면 영역 중 적어도 하나에 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치.