KR102028156B1

KR102028156B1 - 조립형 배터리팩

Info

Publication number: KR102028156B1
Application number: KR1020190037708A
Authority: KR
Inventors: 이득용
Original assignee: 이득용
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2039-04-01
Also published as: WO2020204249A1

Abstract

본 발명에 따른 전지셀 어셈블리는, 양단에 각각 전극단자가 마련된 원통형의 전지셀이 복수개로 구성된 전지셀 어레이; 상기 전지셀 어레이 양단에 각각 배치되고, 상기 전지셀 각각의 상기 전극단자에 대응하는 위치에 컨택홀이 형성되며, 전기절연성 재질로 형성된 한쌍의 홀더 플레이트; 및 일단이 상기 전지셀 각각의 전극단자에 전기적으로 접촉되고, 타단이 상기 컨택홀을 관통하여 외측으로 돌출되게 배치되며, 전기전도성 재질로 형성된 컨택볼트;를 포함하여 달성될 수 있다.

Description

조립형 배터리팩{MODULAR BATTERY PACK}

본 발명은 복수의 전지셀을 포함하는 전지셀 어셈블리를 다양한 구조로 조립할 수 있는 조립형 배터리팩에 관한 것이다.

최근 충방전이 가능한 이차전지는 모바일 기기 등의 소형 제품 뿐만 아니라, 전기자동차 등 중대형 장치에도 널리 사용되고 있으며, 점차 다양한 분야의 제품에 적용되고 있다. 소형 모바일 제품에는 디바이스 1대당 하나 또는 둘 이상의 전지셀이 적용될 수 있으나, 전기자동차 등 중대형 장치에는 고출력 대용량의 필요성으로 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.

이차전지는, 전극과 전해액의 구성에 따라 리튬이온전지, 리튬이온폴리머전지, 리튬폴리머전지 등으로 분류되고, 전지케이스의 형상에 따라 원통형 전지, 각형 전지, 파우치형 전지로 분류된다. 여기서, 원통형 전지는 일반적으로 각형 및 파우치형 전지에 비해 높은 에너지 밀도를 가진다. 그러나, 원통형 전지의 외형적 특성상 적층 구조로의 배열을 유지하는데 어려움이 있다. 종래에는 원통형 전지들을 배열하고 테이프로 고정한 후, 각 전지들의 전극단자를 스폿용접과 같은 용접에 의해 전기적으로 접속하였다.

도 1에는 종래의 원통형 전지로 구성된 전지모듈의 일례를 도시하였다. 도 1에서 보듯이, 종래의 전지모듈(50)은 다수의 원통형 전지들(10)을 포함하는 어레이(30)와, 각 전지들(10)의 전극단자를 전기적으로 연결하는 패널 형상의 버스바(20)을 포함하여 구성된다. 여기서, 전지(10)의 전극단자는 용접에 의해 버스바(20)와 전기적으로 접속된다.

상술한 방법에 의해 구성된 전지모듈은 다음과 같은 문제점을 가진다. 즉, 전극단자와 버스바의 용접을 위해서 부득이 전기전도도가 상대적으로 낮은 니켈 또는 니켈 합금으로 제조된 버스바를 사용해야 하므로, 전기전도도가 우수한 구리패널을 사용하지 못함으로 인해 상대적으로 전지셀의 전류 손실을 감수할 수밖에 없다. 또한, 버스바는 용접에 의해 복수개의 전지와 동시에 접속되는데, 조립 과정에서 복수의 전지 각각의 전극단자와 버스바 사이의 접속이 정상적인지 여부를 판별하는 것이 용이하지 않다. 만약 조립 후에 어느 하나의 전지와 버스바 사이에 접속 불량이 발견되면, 조립된 전지모듈 전체를 전량 폐기해야 한다.

또한, 용접에 의한 접속은, 외부 충격이나 전지모듈의 사용시 발생되는 발열 현상에 취약하므로, 전지모듈의 사용 중에 버스바와 전극단자 사이에 접속 불량이 발생하기 쉽다. 이렇게 사용 중에 버스바와 어느 하나의 전극단자 사이에 접속 불량이 발생한 경우, 불량이 발생된 전지만을 선택적으로 버스바와 용접하기 어려우므로 부득이 전지모듈 전체를 폐기해야 한다. 나아가, 상술한 방식으로 제조된 종래의 전지모듈은 적층 구조로 제조하기 어려우며, 따라서 구조적인 설계 자유도가 낮아 공간 활용 측면에서 단점을 가진다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원통형 전지셀을 이용하여 전지셀 어셈블리를 구성함에 있어서, 단위 전지셀과의 전기적 접속을 개별적으로 확인 및 수리하는 것이 용이하고, 사용 중에 외부 충격이나 전지의 발열 현상에 의한 전기적 접속 불량을 근본적으로 방지할 수 있으며, 원통형 전지를 다양한 구조의 전지모듈로 설계하는 것이 용이한 조립형 배터리팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.

나아가, 본 발명의 다른 목적은, 전기적 어레이 구성 조건에 따라 다양한 형태로 기구적 조합이 가능한 조립형 배터리팩을 제공하는 것이다. 즉, 이차전지의 사용 목적에 따라 고객의 요구조건에 부합하도록 다양한 전압 및 전기용량을 가진 전지셀 어셈블리를 다양한 구조로 제작하는 것이 용이한 조립형 배터리팩을 제공한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 조립형 배터리팩은, 복수의 전지셀을 포함하는 전지셀 어레이, 및 상기 전지셀 어레이의 양단에 대향하게 배치된 한쌍의 홀더플레이트를 포함하는 전지셀 어셈블리; 및 이웃하는 전지셀 어셈블리의 상기 홀더플레이트를 서로 체결하는 체결링크;를 포함한다.

여기서, 상기 체결링크는, 홀더플레이트에 대한 안착면이 마련된 몸체부; 상기 안착면으로부터 서로 나란하게 연장되되 상호 이격된 한쌍의 체결다리; 상기 한쌍의 체결다리 각각의 일단에 마련되고 서로 마주보는 방향으로 돌출되어 형성된 후크; 및 상기 한쌍의 체결다리 각각에 마련되고 서로 대향하는 방향으로 돌출되어 형성된 텐션부;를 포함한다.

또한, 상기 홀더플레이트는, 4개의 주변을 포함하는 상기 홀더플레이트의 서로 대향하는 양 주변에 대칭되게 형성된 복수의 링크삽입홀을 포함하고, 상기 복수의 링크삽입홀 각각은, 상기 링크삽입홀의 개구 방향을 따라 평탄하게 형성된 지지면부; 상기 지지면부의 반대측에 마련되고 상기 체결링크의 상기 몸체부에 마련된 상기 안착면을 지지하는 스토퍼; 상기 스토퍼로부터 연장되어 형성되고 상기 체결링크의 상기 체결다리의 진입을 안내하는 가이드홈; 및 상기 가이드홈의 일단에 상기 체결링크의 상기 후크가 고정되는 고정리브;를 포함한다.

특히, 상기 체결링크는, 상기 몸체부의 상기 안착면에 대향하는 일면에 상기 체결링크를 상기 홀더플레이트로부터 분리하기 위한 탈거부를 포함할 수 있다.

나아가, 상기 체결링크는, 상기 몸체부의 서로 대향하는 양면에 각각 제1 및 제2 안착면이 형성되고, 상기 제1 및 제2 안착면 각각에는 상기 후크 및 상기 텐션부를 포함하는 동형의 제1 한쌍의 체결다리 및 제2 한쌍의 체결다리가 형성될 수 있다.

그리고, 상기 고정리브는 상기 지지면부를 향하는 방향으로 경사지게 형성된 경사면부를 포함할 수 있다.

한편, 상기 홀더플레이트는, 상기 전지셀 어레이의 단부가 수용되고, 상기 복수의 전지셀 각각의 위치를 고정하는 위치고정용 격자가 마련된 내삽부; 및 상기 복수의 전지셀 각각의 전극단자에 대응하는 위치에서, 일단이 상기 전지셀 각각의 상기 전극단자에 전기적으로 접촉되고, 타단이 외측으로 돌출되게 배치되며, 전기전도성 재질로 형성된 복수의 컨택볼트;를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 컨택볼트는, 외측으로 돌출된 컨택돌기 및 원주상에 서로 대향하게 배치된 한쌍의 회동구가 형성된 원판형의 플랜지; 및 상기 플랜지의 직경보다 작은 직경을 가진 수나사부;를 포함하고, 상기 컨택홀은, 상기 플랜지가 수용되는 수용홈; 및 상기 수나사부와 나사 체결되는 암나사부;를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 컨택볼트는 상기 플랜지에 대향하는 상기 수나사부의 일단에 형성된 나사돌리개용 요홈을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 홀더플레이트는, 각각이 상기 플랜지가 수용되는 수용홈; 상기 수나사부와 나사 체결되는 암나사부;를 포함하는 복수의 컨택홀이 형성된 것이 바람직하다.

나아가, 다른 실시예로서, 상기 컨택볼트는, 외측으로 돌출된 컨택돌기가 형성된 원판형의 플랜지; 상기 플랜지의 직경보다 작은 직경을 가진 몸체부; 상기 몸체부에 일체로 형성되고 상기 홀더플레이트에 매립되어 고정되는 고정부; 상기 몸체부의 일단에 형성되고 상기 홀더플레이트 외측으로 돌출된 나사산부;를 포함하여 구성될 수도 있다.

또한, 상기 홀더플레이트는, 네개의 모서리에 상기 컨택볼트의 돌출 길이보다 높게 형성된 스페이서를 포함할 수 있다.

아울러, 상기 전지셀 어레이는 하나 이상의 단위 어레이를 포함하고, 상기 단위 어레이를 구성하는 다수의 전지셀에 각각 접속된 상기 컨택볼트와 전기적으로 접속되는 어레이패널을 포함할 수 있다.

특히, 상기 홀더플레이트는 상기 어레이패널에 연결된 배선을 수용하는 배선수용홈을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 원통형 전지셀을 이용하여 전지셀 어셈블리를 구성하는 경우에, 단위 전지셀과의 전기적 접속을 개별적으로 확인 및 조정하는 것이 용이하고, 사용중에 외부 충격이나 전지의 발열 현상에 의한 전기적 접속 불량을 근본적으로 방지할 수 있으며, 원통형 전지를 다양한 구조를 갖는 전지모듈로 설계하는 것이 용이한 조립형 배터리팩을 제공할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 전지셀 어셈블리에서는, 용접 방식으로 제조된 종래의 전지모듈에서 문제가 되는 외부충격 및 전지셀의 발열에 따른 접속 불량 문제를 근본적으로 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 회로패널로서 전기전도도가 우수한 구리패널을 이용할 수 있다. 종래에는 단위 전지셀의 전극단자를 용접방식에 의해 버스바와 접속해야 했기 때문에, 구리패널을 이용할 수 없었으나, 본 발명에 따른 전지셀 어셈블리는 용접방식을 이용하지 않으므로 전기전도도가 우수한 구리패널을 사용하는 것이 가능하다. 구리를 이용하여 회로패널을 구성하면 전지셀 어셈블리의 내부 저항을 최소화할 수 있으며, 전지 모듈의 전기적 용량의 안정화에 효과적이다.

또한, 개개의 전지셀과 컨택볼트의 접촉 상태는 조립후 혹은 사용중에도 용이하게 확인할 수 있다. 본 발명에 따른 전지셀 어셈블리는 개개의 전지셀, 컨택볼트 및 회로패널이 기계적으로 조립되어 있으므로, 특정 전지셀에 불량이 발생한 경우 해당 전지셀을 교체하는 것이 비교적 간편하다. 그러므로, 종래와 달리 사용 중에 전지모듈에 불량이 발생한 경우 제품의 수리가 용이하므로, 전체적인 제조비용 뿐만 아니라 고객 서비스 비용이 대폭 절감될 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 조립형 배터리팩을 이용하면, 원통형 전지를 적용하는 경우에도 이차전지의 사용 목적에 따라 다양한 전압 및 전기용량을 가진 전지셀 어셈블리를 다양한 구조로 제작하는 것이 매우 용이하다.

도 1은 종래의 용접방식에 의한 전지셀 어셈블리를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 전지셀 어셈블리의 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 전지셀 어셈블리를 구성하는 홀더플레이트의 상면 및 하면을 각각 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전지셀 어셈블리에 사용되는 컨택볼트를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전지셀 어셈블리에서 전지셀에 마련된 전극단자, 컨택볼트 및 컨택홀의 접속 구조를 도시한 부분단면도이다.
도 7 및 도 8은 다른 실시예에 따른 컨택볼트를 도시한 사시도 및 홀더플레이트와 체결된 상태를 도시한 단면도이다.
도 9은 본 발명에 따른 전지셀 어셈블리를 다수개 구비하여 하나의 배터리팩을 구성한 예를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 조립형 배터리팩을 구성하기 위한 체결링크를 도시한 사시도이다.
도 11는 도 9의 I-I 절개선을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
도 12은 도 11의 영역 A를 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 전지셀 어셈블리에 사용되는 홀더플레이트에 링크삽입홀이 형성된 상태를 도시한 도면이고, 도 14는 도 13에서 고정리브가 형성된 영역을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 15은 본 발명에 따른 전지셀 어셈블리를 상하 방향으로 적층하기 위해 사용되는 다른 실시예에 따른 체결링크를 도시한 사시도이다.
도 16는 본 발명에 따른 전지셀 어셈블리를 복수개로 구비하여 상하 적층구조의 전지모듈을 구성할 수 있음을 보여주는 개요도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.

먼저, 도 2에서 보듯이, 본 발명에 따른 전지셀 어셈블리(100)는, 복수개의 전지셀(112)을 포함하는 전지셀 어레이(110)와, 전지셀 어레이(110)의 양단에 각각 배치된 절기절연성 재질의 제1 홀더플레이트(121) 및 제2 홀더플레이트(122)를 포함하는 한쌍의 홀더플레이트(120)로 구성된다. 여기서, 전지셀(112)은 (+)단자 또는 (-)단자로 기능하는 전극단자(112a)가 마련된 원통형 전지로서, 도 2에서는 복수의 전지셀(112)이 4행 및 4열을 가진 어레이 구조로 배치된 예를 도시하였으나, 필요에 따라 다양한 개수의 행렬을 가진 어레이 구조로 배치될 수 있다.

상술한 행렬 구조의 전지셀 어레이를 포함하는 전지셀 어셈블리(100)는 이하에서 설명할 세부 구성요소들이 조립되어 제조된다.

도 3 및 도 4에서 보듯이, 복수의 전지셀(112)로 구성된 전지셀 어레이(110)의 양단에 제1 및 제2 홀더플레이트(121, 122)가 배치된다. 제1 및 제2 홀더플레이트(121, 122)는 전기절연성 재질, 예컨대 합성수지재를 이용하여 제조될 수 있다. 홀더플레이트(121, 122)는 대략 전지셀 어레이(110)의 양단을 커버하는 치수를 가지며, 동일한 형상의 홀더플레이트를 2개 1조로 하여 사용할 수도 있다. 각각의 홀더플레이트(121, 122)가 전지셀 어레이(110)에 접하는 내측면에는 내삽부(130)가 형성될 수 있다. 내삽부(130)에는 홀더플레이트(121, 122)의 내측면에서 전지셀 어레이(110)의 단부가 수용되는데, 원통형의 전지셀(112)로 구성된 어레이(110)의 측면 프로파일과 대략 동일한 형상의 홈으로 형성되어 어레이(110)의 단부가 밀착 고정될 수 있다. 또한, 내삽부(130)에는 전지셀(112) 각각의 위치를 고정하기 위한 위치고정용 격자(131)가 형성될 수 있으며, 격자(131)에 의해 어레이(110)를 구성하는 각각의 전지셀(112)이 이웃하는 전지셀(112)과 일정한 간격을 유지하도록 함과 동시에, 각 전지셀(112)을 홀더플레이트(121, 122)에 밀착 고정할 수 있다. 특히, 격자(131)에 의해 각 전지셀들(112) 사이에 빈 공간이 형성될 수 있으며, 이 공간에 의해 전지셀(112)에서 발생하는 열이 외부로 쉽게 방출될 수 있다.

한편, 홀더 플레이트(121, 122)에는 개개의 전지셀(112) 각각에 마련된 전극단자(112a)에 대응하는 위치에 컨택홀(133)이 형성된다. 컨택홀(133)은 홀더플레이트(121, 122)를 관통하여 형성된다. 그리고, 이 컨택홀(133)에는 전기전도성 재질로 형성된 컨택볼트(140)가 삽입된다.

컨택볼트(140)는, 일단이 전지셀(112)의 전극단자(112a)에 전기적으로 접촉되고, 타단이 컨택홀(133)을 관통하여 외측으로 돌출되게 배치된다. 그리고, 컨택볼트(140)는 컨택홀(133)과 나사 체결될 수 있다. 즉, 컨택볼트(140)와 컨택홀(133)이 나사 체결되어 있어서, 컨택볼트(140)를 일방향으로 회전시키면 컨택볼트(140)의 일면이 전극단자(112a) 측으로 접근하게 되고, 타방향으로 회전시키면 홀더 플레이트(121, 122)의 외측으로 돌출하게 된다. 즉, 컨택볼트(140)의 회전수를 조정하여 플랜지(141) 및 전극단자(112a) 사이의 접촉 거리를 정밀하게 조정할 수 있다.

도 5에서 보듯이, 컨택볼트(140)는, 원판형의 플랜지(141) 및 이 플랜지(141)의 직경보다 작은 직경을 가진 수나사부(144)로 구성될 수 있다. 그리고, 플랜지(141)에는 외측으로 돌출된 컨택돌기(142)가 형성되어, 컨택볼트(140)와 전극단자(112a) 사이의 접촉 신뢰성을 향상시킨다. 또한, 플랜지(141)의 원주상에는 서로 대향하게 배치된 한쌍의 회동구(143)가 형성된다. 회동구(143)는 컨택볼트(140)을 회전시키기 위한 수단으로서, 한쌍의 회동구(143)에 끼워지는 별도의 회전도구를 이용하여 컨택볼트(140)를 회전시킬 수 있다. 그리고, 플랜지(141)에 대향하는 수나사부(144)의 일단에는 나사돌리개용 요홈(145)이 형성될 수 있다. 요홈(145)은 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 한쌍의 회동구(143)의 반대측에서 컨택볼트(140)를 회전시키기 위한 수단으로, 나사돌리개로 사용되는 드라이버의 단부를 요홈(145)에 끼워맞춘 후 컨택볼트(140)를 회전시킬 수 있다. 한쌍의 회동구(143) 및 요홈(145)를 이용하여 각각 서로 반대측에서 컨택볼트(140)를 회전시킬 수 있다.

도 6를 참고하여, 전극단자(112a), 컨택볼트(140) 및 컨택홀(133)의 체결상태를 살펴보면, 홀더플레이트(121, 122)의 내측면(121a, 122a) 측의 컨택홀(133) 영역에 플랜지(141)가 수용되는 수용홈(133a)이 마련되고, 컨택홀(133)의 내벽면에는 수나사부(144)와 나사 체결되는 암나사부(133b)가 형성된다. 컨택볼트(140)를 컨택홀(133)에 체결하면, 플랜지(141)가 수용홈(133a)에 내부에서 일정한 거리만큼 전진 및 후퇴할 수 있다.

복수의 컨택볼트(140)를 대응하는 컨택홀(133)에 각각 체결한 상태에서, 각 홀더플레이트(121, 122)의 내삽부(130) 및 격자(131)의 위치에 각각의 전지셀(112)를 대응시켜 어레이(110)의 양 단부를 끼운다. 그 후, 대향하게 배치된 제1 홀더플레이트(121) 및 제2 홀더플레이트(122)를 체결수단(150)을 이용하여 견고하게 고정한다. 체결수단(150)은 대향하는 두개의 홀더플레이트(121, 122)를 어레이(110)에 물리적으로 견고하게 고정하기 위한 수단으로서, 예컨대 렌치볼트 및 너트를 이용할 수 있으며, 복수의 격자(131) 중 일부에 형성된 삽입홀(151)을 통해 체결될 수 있다.

한편, 어레이(110)의 단부가 홀더플레이트(121, 122)의 내측면에 밀착될 때, 개개의 전지셀(112)의 높이 차이에 따라 특정 전지셀(112)의 전극단자(112a)와 컨택볼트(140) 사이에 유격이 발생할 수 있다. 홀더플레이트(121, 122) 및 어레이(110)를 조립한 이후, 컨택볼트(140)를 회전시켜 각 전지셀(112)과의 접촉을 정밀하게 조정할 수 있다. 이때, 요홈(145)을 이용하여 플랜지(141) 및 컨택돌기(142)가 대응하는 전극단자(112a)에 밀착될 수 있도록 컨택볼트(140)를 회전시킨다. 각 전지셀(112)의 양극 단자 사이의 전압을 측정하면, 개개의 컨택볼트(140) 및 전지셀(112) 사이의 접속 상태를 확인할 수 있다. 특히, 컨택돌기(142)는 전극단자(112a)의 표면을 파고들면서 접촉되어, 전지셀(112) 및 컨택볼트(140) 사이의 전기적 접촉 신뢰성을 향상시키게 된다.

이와 같이 조립된 전지셀 어셈블리(100)는, 각 홀더플레이트(121, 122)가 어레이(110)에 밀착 고정된 상태가 되고, 컨택볼트(140)의 일단이 컨택홀(133)을 관통하여 외부로 노출된 상태가 된다. 노출된 컨택볼트(140)에는 단위 어레이를 구성하는 다수의 전지셀(112)을 서로 병렬 접속하는 어레이패널(160)이 연결된다. 이때, 홀더플레이트(121, 122)의 외측면에 배치되는 어레이패널(160)에는 컨택볼트(140)의 일단이 관통되는 다수의 개구가 마련된다. 병렬접속하고자 하는 전지셀(112)에 대응하는 컨택볼트(140)는 어레이패널(160)에 형성된 개구를 통해 단부가 노출되며, 노출된 컨택볼트(140)의 단부는 와셔, 너트 등과 같은 고정수단(162)을 통해 어레이패널(160)과 전기적으로 접속될 수 있다.

다른 실시예로서, 도 7 및 도 8에 도시한 구조의 컨택볼트(140a)를 사용하는 것도 가능하다. 즉, 도 7에서 보듯이, 컨택볼트(140a)는 홀더플레이트(121, 122)를 제조할 때 인서트 사출에 의해 제조할 수 있다. 여기서, 컨택볼트(140a)는, 외측으로 돌출된 컨택돌기(142)가 형성된 원판형의 플랜지(141)과, 플랜지(141)의 직경보다 작은 직경을 가진 원기둥 형상의 몸체부(146)와, 몸체부(146)에 일체로 형성되고 홀더플레이트(121, 122)에 매립되어 고정되는 고정부(147, 148)와, 몸체부(146)의 일단에 형성되고 홀더플레이트(121, 122) 외측으로 돌출된 나사산부(149)를 포함하여 구성될 수 있다. 앞에서 설명한 실시예와 달리, 도 7에 도시한 컨택볼트(140a)는 컨택볼트를 양측에서 회전 조작하기 위한 한쌍의 회동구(143) 및 나사돌리개용 요홈(145)을 포함하지 않는다. 본 실시예에 따른 컨택볼트(140a)는 합성수지재인 홀더플레이트(121, 122)에 매립되어 있으며, 홀더플레이트(121, 122)에 대하여 회전되지 않도록 고정부(147, 148)가 형성된다.

고정부(147, 148)는 몸체부(146)에서 플랜지(141)에 인접한 영역에 형성되는데, 홀더플레이트(121, 122)로부터 컨택볼트(140a)가 탈거되지 않도록 함과 동시에, 노출된 컨택볼트(140a)의 나사산부(149)에 와셔, 너트 등과 같은 고정수단(162)을 체결할 때, 컨택볼트(140a)가 홀더플레이트(121, 122) 내에서 회동되지 않도록 한다. 고정부(147, 148)는 몸체부(146)의 직경보다 큰 직경을 가지는 것이 바람직하고, 소정의 간격으로 이격되는 것이 바람직하다. 서로 이격된 제1 고정부(147) 및 제2 고정부(148) 사이의 공간에 인서트 사출시 합성수지재가 매립되면서 컨택볼트(140a)가 탈거되지 않도록 결속력이 향상된다. 또한, 제1 고정부(147) 및 제2 고정부(148) 각각의 외주면에는 제1 요철부(147a) 및 제2 요철부(148a)가 형성되어, 컨택볼트(140a)가 회전되지 않도록 고정한다. 상술한 구조의 컨택볼트(140a)에서는 복수의 전지셀(112) 간의 공차를 보정하기 위하여, 컨택돌기(142)가 플랜지(141)의 상면으로부터 돌출된 높이를 0.3mm ~ 0.8 mm의 치수 정밀도로 형성한다. 컨택돌기의 높이가 0.3mm 미만이면 전지셀의 치수 차이에 대한 공차를 보정하는 기능을 효과적으로 달성하기 어려우며, 컨택돌기의 높이가 0.8mm를 초과하면 전지셀의 마이너스(-) 단자의 파손을 유발할 수 있다. 컨택돌기(142)는 전지셀(112)의 전극단자(112a)의 표면을 파고들면서 접촉신뢰성이 향상될 수 있다.

상술한 구조의 전지셀 어셈블리(100)에 사용되는 어레이패널(160)은 종래의 용접방식으로 제조된 전지모듈과 달리 전기전도도가 우수한 구리패널을 이용하여 제조될 수 있다. 종래에는 단위 전지셀의 전극단자를 용접방식에 의해 버스바와 접속해야 했기 때문에, 구리패널을 이용할 수 없었다. 그러나, 본 발명에 따른 전지셀 어셈블리는 용접방식을 이용하지 않으므로 전기전도도가 우수한 구리패널을 사용하는 것이 가능하다. 구리를 이용하여 어레이패널을 구성하면 전지셀 어셈블리의 내부 저항을 최소화할 수 있으며, 전지모듈의 전기적 용량의 안정화에 효과적이다. 또한, 전지셀의 발열에 의해 컨택볼트 및 어레이패널 사이의 접촉이 단선될 위험이 없으며, 외부 충격에도 전기적 접속 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 개개의 전지셀과 컨택볼트의 접촉 상태는 조립후 혹은 사용중에도 용이하게 확인할 수 있다. 본 발명에 따른 전지셀 어셈블리는 개개의 전지셀, 컨택볼트 및 어레이패널이 기계적으로 조립되어 있으므로, 특정 전지셀에 불량이 발생한 경우 해당 전지셀을 교체하는 것이 비교적 간편하다. 종래와 달리 사용 중에 전지모듈에 불량이 발생한 경우 제품의 수리가 용이하므로, 전체적인 제조비용 뿐만 아니라 고객 서비스 비용이 대폭 절감될 수 있다.

한편, 전지모듈의 사용 중에 전지셀에서 발생되는 발열현상에 의해 금속재인 어레이패널이 과열되고, 이로 인해 합성수지재인 홀더플레이트가 변형되거나 녹을 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 어레이패널(160) 및 홀더플레이트(121, 122)의 외측면 사이에 절연패널(170)이 개재될 수 있다. 또한, 절연패널(170)은 어레이패널(160)을 주변 영역과 전기적으로 분리할 뿐만 아니라, 어레이패널(160)에서 발생되는 열이 홀더플레이트로 전달되는 것을 방지한다. 절연패널(170)은, 도 2에서 보듯이, 별도의 부재로 마련될 수 있으며, 링 형상으로 형성되어 컨택볼트(140)에 끼워져서 배치될 수 있다. 이와 달리, 어레이패널(160)에 마련된 개구(컨택볼트가 끼워지는 위치에 형성된)에 미리 절연패널(170)이 형성되어 일체로 제조될 수 있다.

다음으로, 도 9에는 복수의 전지셀 어셈블리가 서로 접속되어 하나의 배터리팩을 구성한 예를 도시하였다. 예컨대, 도 9에서 보듯이, 4행 4열의 전지셀 어셈블리 2개(100a, 100b)와, 4행 2열의 전지셀 어셈블리 2개(100c, 100d)를 서로 연결하여 하나의 배터리팩으로 조립한 예를 도시하였다. 또한, 도 9에 도시한 형태의 패터리팩이 수직한 방향으로 여러 층 적층된 구조의 배터리팩으로도 제조가 가능하다.

이와 같은 구조의 배터리팩을 형성하기 위해서는, 하나의 전지셀 어셈블리가 이웃하는 다른 전지셀 어셈블리와 체결됨에 있어서, 첫째 전지셀 어셈블리들 사이에 불필요한 공간이 없도록 치밀한 구조로 체결 및 적층 가능해야 하고, 둘째 전지셀 어셈블리들 사이의 조립 및 분해가 용이해야 하며, 세째 측방향 또는 연직방향으로 이웃하는 전지셀 어셈블리들 사이에 전기적 분리 및 배선이 용이해야 한다.

이하에서는, 복수의 전지셀 어셈블리를 측방향 또는 연직방향으로 상호 체결하여 조립형 배터리팩을 구성하기 위해 채택된 수단들에 대해 상세히 설명한다.

도 10 내지 도 12을 참조하여, 이웃하는 전지셀 어셈블리의 홀더플레이트(120)를 서로 체결하기 위한 체결링크(180)에 대해 설명한다. 여기서, 체결링크(180)는, 홀더플레이트(121, 122)에 대한 안착면(181a)이 마련된 몸체부(181)와, 안착면(181a)으로부터 서로 나란하게 연장되되 상호 이격된 한쌍의 체결다리(182)와, 한쌍의 체결다리(182) 각각의 일단에 마련되고 서로 마주보는 방향으로 돌출되어 형성된 후크(183)와, 한쌍의 체결다리(182) 각각에 마련되고 서로 대향하는 방향으로 돌출되어 형성된 텐션부(184)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 체결링크(180)에는 몸체부(181)의 안착면(181a)에 대향하는 일면에 체결링크(180)를 홀더플레이트(121, 122)로부터 분리하기 위한 탈거부(185)를 추가로 포함할 수 있다.

한편, 도 3 및 도 4, 도 13 및 도 14를 참조하면, 홀더플레이트(121, 122)는 대략 방형(方形) 구조를 가지며, 4개의 주변을 포함하는 홀더플레이트(121, 122)의 서로 대향하는 양 주변에 대칭되게 형성된 복수의 링크삽입홀(190)이 형성된다. 이렇게 대칭되게 형성된 링크삽입홀(190)은 동형의 홀더플레이트를 측방향으로 연속하여 체결하는 것이 가능하게 한다.

아울러, 복수의 링크삽입홀(190) 각각은, 링크삽입홀(190)의 개구 방향(즉, 홀더플레이트의 외측면 및 내측면을 관통하는 방향)을 따라 평탄하게 형성된 지지면부(191)와, 지지면부(191)의 반대측에 마련되고 체결링크(180)의 몸체부(181)에 마련된 안착면(181a)을 지지하는 스토퍼(192)와, 스토퍼(192)로부터 연장되어 형성되고 체결다리(182)의 진입을 안내하는 가이드홈(193)과, 가이드홈(193)의 일단에 후크(183)가 고정되는 고정리브(194)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 고정리브(194)에는 지지면부(191)를 향하는 방향으로 경사지게 형성된 경사면부(194a)가 형성되는 것이 바람직하다.

도 11은 도 9에 도시한 I-I 절개선을 따라 절개한 단면도이고, 도 12은 도 11의 영역 A를 확대하여 나타낸 단면도이다.

도 11 및 도 12을 참조하여, 체결링크(180) 및 링크삽입홀(190)의 결합상태를 설명하면 다음과 같다. 예컨대, 체결링크(180)는 이웃하는 2개의 전지셀 어셈블리(100a, 100c) 사이에 체결된다. 각각의 전지셀 어셈블리(100a, 100c)의 홀더플레이트(120a, 120c)에 형성된 링크삽입홀(190)이 서로 연접되게 배치되면, 2개의 링크삽입홀(190)이 맞닿은 부위에 체결링크(180)를 삽입한다. 이때, 몸체부(181)는 2개의 링크삽입홀(190)이 맞닿아져서 형성된 모양과 일치하는 형상으로 형성되어, 서로 연접한 2개의 링크삽입홀(190)에 밀착 고정될 수 있다. 몸체부(181)에 마련된 안착면(181a)이 이웃하는 2개의 링크삽입홀(190)에 형성된 스토퍼(192)에 걸리게 된다. 이때, 가이드홈(193)을 따라 인입된 한쌍의 체결다리(182)는 각각 홀더플레이트(120a)에 형성된 고정리브(194) 및 홀더플레이트(120c)에 형성된 고정리브(194)에 체결된다. 이를 통해, 두개의 홀더플레이트(120a, 120c)가 서로 견고하게 체결될 수 있다.

여기서, 지지면부(191)에 대하여 텐션부(184)가 탄성적으로 변형되면서 후크(183)가 고정리브(194)로부터 충격에 의해 이탈되지 않도록 한다. 텐션부(184)는 각각 체결다리(182)에서 서로 반대 방향으로 돌출되어 형성되며, 링크삽입홀(190)에 마련된 지지면부(191)에 의해 저지되어 후크(183)가 서로 맞닿는 방향으로 압력을 가한다. 한편, 한쌍의 체결다리(182) 사이에는 아크 형상으로 만곡지게 형성된 연결부(187)가 마련될 수 있으며, 연결부(187)을 통해 체결다리(182)의 텐션을 적절하게 유지한다. 또한, 경사면부(194a)는 가이드홈(193)을 따라 인입되는 체결다리(182)의 후크(183)가 고정리브(194) 외측으로 벌어진 후 고정될 수 있도록 한다. 또한, 탈거부(185)는 배터리팩을 해체하고자 하는 경우, 체결링크(180)를 링크삽입홀(190)로부터 제거하는 것이 용이하도록 한다. 탈거부(185)는 서로 대향하는 한쌍의 돌출구조로 형성될 수 있으며, 소정의 도구를 통해 돌출구조 사이에 마련된 공간을 이용하여 체결링크(180)를 탈거할 수 있다. 나아가, 몸체부(181)는 속이 빈 중공의 공간부(186)가 복수개 마련될 수 있으며, 이는 몸체부(181)의 구조적 강성을 유지할 뿐만 아니라 합성수지재의 재료를 절감할 수 있으므로 제조단가를 낮추는데 유리하다.

앞에서 예시하였듯이, 도 9에 도시한 배터리팩은 연직방향으로 복수개 적층될 수도 있다. 이 경우, 상하로 적층된 전지셀 어셈블리들을 체결하기 위하여, 도 15에서 보듯이, 몸체부(181)의 서로 대향하는 양면에 각각 제1 안착면(181a)및 제2 안착면(181b)이 형성되고, 제1 및 제2 안착면 각각에 후크 및 텐션부를 포함하는 동형의 제1 한쌍의 체결다리(182a) 및 제2 한쌍의 체결다리(182b)가 형성된 체결링크(180)를 이용할 수 있다. 도 13에 도시한 체결링크(180)는, 도 10에 도시한 체결링크와 비교할 때 탈거부(185)를 제외한 나머지 구성요소들이 몸체부(181)를 기준으로 상부 및 하부에 각각 대칭되게 형성된다.

도 15에 도시한 체결링크(180)를 이용하면, 도 16에서 보듯이, 하부에 배치된 제1 전지셀 어셈블리(100a) 및 제2 전지셀 어셈블리(100c)가 제1 한쌍의 체결다리(182a)에 의해 체결되고, 상부에 배치된 제3 전지셀 어셈블리(100e) 및 제4 전지셀 어셈블리(100g)는 제2 한쌍의 체결다리(182b)에 의해 체결될 수 있다. 즉, 제1 전지셀 어셈블리(100a)의 홀더플레이트(120a), 제2 전지셀 어셈블리(100c)의 홀더플레이트(120c), 제3 전지셀 어셈블리(100e)의 홀더플레이트(120e) 및 제4 전지셀 어셈블리(100g)의 홀더플레이트(120g)가 하나의 체결링크를 통해 견고하게 고정될 수 있다. 이를 통해 이웃하는 4개의 전지셀 어셈블리들이 하나의 체결링크를 통해 서로 체결된 구조로 적층될 수 있다.

한편, 도 16과 같이 다단으로 적층된 구조의 배터리팩을 구성하는 경우, 상부에 배치된 전지셀 어셈블리에 포함된 컨택볼트 및 하부에 배치된 전지셀 어셈블리의 컨택볼트기 서로 접촉될 수 있다. 이렇게 다단 구조의 배터리팩을 구성하는 경우, 상하로 이웃하는 전지셀 어셈블리의 전기적 분리를 위하여 홀더플레이트(121, 122)의 네개의 모서리에 각각 컨택볼트의 돌출 길이보다 높게 형성된 스페이서(210)가 마련된다. 또한, 이웃하는 전지셀 어셈블리들 사이의 전기적 연결을 위하여 소정의 배선이 사용될 수 있으며, 사용된 배선이 이웃하는 전지셀 어셈블리 사이의 이격 거리를 발생시키지 않도록 하기 위하여, 홀더플레이트(121, 122)의 일측에 어레이패널과 연결되는 배선을 수용하는 배선수용홈(200)이 형성되는 것이 바람직하다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

복수의 전지셀을 포함하는 전지셀 어레이, 및 상기 전지셀 어레이의 양단에 대향하게 배치된 한쌍의 홀더플레이트를 포함하는 전지셀 어셈블리; 및 이웃하는 전지셀 어셈블리의 상기 홀더플레이트를 서로 체결하는 체결링크;를 포함하는 조립형 배터리팩으로서,
상기 체결링크는,
상기 홀더플레이트에 대한 안착면이 마련된 몸체부; 상기 안착면으로부터 서로 나란하게 연장되되 상호 이격된 한쌍의 체결다리; 상기 한쌍의 체결다리 각각의 일단에 마련되고 서로 마주보는 방향으로 돌출되어 형성된 후크; 및 상기 한쌍의 체결다리 각각에 마련되고 서로 대향하는 방향으로 돌출되어 형성된 텐션부; 및 상기 몸체부의 상기 안착면에 대향하는 일면에 상기 홀더플레이트로부터 분리하기 위한 탈거부;를 포함하는 제1 체결링크와,
상기 몸체부의 서로 대향하는 양면에 각각 제1 및 제2 안착면이 형성되고, 상기 제1 및 제2 안착면 각각에는 상기 후크 및 상기 텐션부를 포함하는 동형의 제1 한쌍의 체결다리 및 제2 한쌍의 체결다리가 형성된 제2 체결링크를 포함하고,
상기 홀더플레이트는, 4개의 주변을 포함하는 상기 홀더플레이트의 서로 대향하는 양 주변에 대칭되게 형성된 복수의 링크삽입홀을 포함하고,
상기 복수의 링크삽입홀 각각은, 상기 링크삽입홀의 개구 방향을 따라 평탄하게 형성된 지지면부; 상기 지지면부의 반대측에 마련되고 상기 제1 또는 제2 체결링크의 상기 몸체부에 마련된 상기 안착면을 지지하는 스토퍼; 상기 스토퍼로부터 연장되어 형성되고 상기 제1 또는 제2 체결링크의 상기 체결다리의 진입을 안내하는 가이드홈; 및 상기 가이드홈의 일단에 상기 제1 또는 제2 체결링크의 상기 후크가 고정되는 고정리브;를 포함하는, 조립형 배터리팩.
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제 1 항에 있어서,
상기 고정리브는 상기 지지면부를 향하는 방향으로 경사지게 형성된 경사면부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 조립형 배터리팩.
제 1 항에 있어서,
상기 홀더플레이트는,
상기 전지셀 어레이의 단부가 수용되고, 상기 복수의 전지셀 각각의 위치를 고정하는 위치고정용 격자가 마련된 내삽부; 및
상기 복수의 전지셀 각각의 전극단자에 대응하는 위치에서, 일단이 상기 전지셀 각각의 상기 전극단자에 전기적으로 접촉되고, 타단이 외측으로 돌출되게 배치되며, 전기전도성 재질로 형성된 복수의 컨택볼트;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 조립형 배터리팩.
제 5 항에 있어서,
상기 컨택볼트는, 외측으로 돌출된 컨택돌기 및 원주상에 서로 대향하게 배치된 한쌍의 회동구가 형성된 원판형의 플랜지; 상기 플랜지의 직경보다 작은 직경을 가진 수나사부; 및 상기 플랜지에 대향하는 상기 수나사부의 일단에 형성된 나사돌리개용 요홈;을 포함하고,
상기 홀더플레이트는, 각각이 상기 플랜지가 수용되는 수용홈; 상기 수나사부와 나사 체결되는 암나사부;를 포함하는 복수의 컨택홀이 형성된 것을 특징으로 하는, 조립형 배터리팩.
제 5 항에 있어서,
상기 컨택볼트는, 외측으로 돌출된 컨택돌기가 형성된 원판형의 플랜지; 상기 플랜지의 직경보다 작은 직경을 가진 몸체부; 상기 몸체부에 일체로 형성되고 상기 홀더플레이트에 매립되어 고정되는 고정부; 상기 몸체부의 일단에 형성되고 상기 홀더플레이트 외측으로 돌출된 나사산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 조립형 배터리팩.
제 5 항에 있어서,
상기 홀더플레이트는, 네개의 모서리에 상기 컨택볼트의 돌출 길이보다 높게 형성된 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는, 조립형 배터리팩.
제 5 항에 있어서,
상기 전지셀 어레이는 하나 이상의 단위 어레이를 포함하고,
상기 단위 어레이를 구성하는 다수의 전지셀에 각각 접속된 상기 컨택볼트와전기적으로 접속되는 어레이패널을 포함하는 것을 특징으로 하는, 조립형 배터리팩.
제 9 항에 있어서,
상기 홀더플레이트는 상기 어레이패널에 연결된 배선을 수용하는 배선수용홈을 포함하는 것을 특징으로 하는, 조립형 배터리팩.