KR100767911B1

KR100767911B1 - 배터리 팩

Info

Publication number: KR100767911B1
Application number: KR1020060049612A
Authority: KR
Inventors: 야스시 사나다; 요시나오 다떼바야시; 노부오 시부야; 신이찌로 고스기
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-10-18
Also published as: CN1874029A; KR20060125603A; CN100440582C; JP2006339032A; US20060273758A1

Abstract

본 발명은 라미네이트 필름에 의해 밀봉된 발전기 소자를 각각 포함하는 복수의 편평한 형상의 셀과, 그 두께 방향으로 적층되도록 셀을 수용하고, 적어도 일단부에 형성된 개구를 갖는 케이스와, 케이스의 개구에 고정되어 적층된 셀을 적층 방향으로 가압하는 리드 부재와, 케이스의 개구에 대향하는 측 상에, 적층된 셀들 중 마지막에 위치된 셀과 케이스 사이에 제공되는 바닥 부재와, 셀들 사이에 제공되고 케이스와 접촉되는 제1 트레이와, 리드 부재와 셀 사이에 제공되고 케이스와 접촉되는 제2 트레이와, 바닥 부재와 셀 사이에 제공되고 케이스와 접촉되는 제3 트레이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다. 리드 부재 및 바닥 부재는 제1 트레이, 제2 트레이 및 제3 트레이 중 임의의 하나의 열전도도보다 낮은 열전도도를 갖는 재료로 형성된다.

셀, 라미네이트 필름, 리드 부재, 케이스, 바닥 부재, 제1 트레이, 제2 트레이, 제3 트레이, 배터리 팩

Description

배터리 팩 {BATTERY PACK}

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 팩의 분해 사시도.

도2a 및 도2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 셀이 위치된 트레이의 외관을 도시한 도면.

도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복수의 셀이 위치된 트레이의 외관을 도시한 도면.

도4a 및 도4b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 트레이의 구조를 도시한 단면도.

도5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열 전도가 발생되는 방법을 도시한 배터리 팩의 단면도.

도6a 내지 도6c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 팩의 트레이의 구조를 도시한 도면.

도7은 종래의 편평한 형상의 리튬 셀 배터리의 구조를 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1a, 1b, 1c : 트레이

2 : 케이스

2h : 장착 구멍

3 : 덮개

4a, 4b : 배터리 단자

5 : 리드 부재

6 : 바닥 부재

10 : 셀

11 : 발전기 소자

12a : 양전극 단자

12b : 음전극 단자

16 : 밀봉제

본 발명은 라미네이트 필름(laminate film)으로 싸인 복수의 적층 셀로 구성된 조립식 배터리(assembled battery)의 배터리 팩에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 배터리 팩 내의 셀들 사이의 온도 편차를 감소시킬 수 있는 조립식 배터리의 배터리 팩에 관한 것이다.

종래의 배터리 팩은 하나의 셀로 구성된다. 이러한 배터리 팩은 용량이 작고 비교적 작은 진동 또는 충격을 수반하는 적용에 용도가 종종 제한된다. 최근에, 리튬 배터리와 같은 복수의 셀로 구성된 경량이고 소형이지만, 고용량의 조립식 배터리가 휴대용 무선 장치, 자동차 등에 사용되도록 개발되어 왔다.

리튬 배터리(이후에는 단지 "배터리"로 칭해짐)과 같은 이러한 대용량 조립식 배터리에는, 복수의 편평한 형상의 얇은 셀이 소정의 출력을 얻도록 적층된다.

이러한 조립식 배터리에서, 배터리의 충전/방전시 셀 내부에서 발생된 화학 반응열 및 줄열(Joule heat)로 인해 온도 편차가 발생하여, 과방전/과충전 포텐셜의 편차를 발생시킨다.

또한, 전술된 바와 같이 복수의 셀을 사용하는 조립식 배터리의 경우, 셀들이 상이한 온도 상태에 있을 때, 각각의 셀은 상이한 과방전 및 과충전 포텐셜을 갖는다.

그 결과, 배터리를 충전할 때, 충전 용량은 낮은 과충전 포텐셜을 갖는 셀의 존재로 인해 제한되어, 높은 과충전 포텐셜을 갖는 셀이 충분한 전력을 저장하는 것을 불가능하게 한다. 또한, 방전시, 방전 용량은 높은 과방전 포텐션을 갖는 셀의 존재로 인해 제한되어, 출력되지 않은 전력이 낮은 과방전 포텐셜을 갖는 셀 내에 잔류하게 된다.

따라서, 배터리에 저장될 수 있는 절대 전력량이 감소될 뿐만 아니라, 배터리 내에 저장된 전력 모두를 효과적으로 추출하는 것이 불가능해 진다.

따라서, 종래의 조립식 배터리에서, 양전극 및 음전극 단자는 밀봉된 외주연 에지부로부터 적어도 세 방향으로 인출되기 때문에, 열을 발생시키는 단자는 각각의 셀 내부의 온도 불균일을 방지하도록 분산되어 배치된다(예컨대, 일본 특허 공개 공보 제2004-47239호 참조).

그러나, 상기 공보에 개시된 바와 같은 온도 불균일 방지 수단의 목적은 열 을 발생시키는 단자의 분산 배치에 의해 각각의 개별 셀 내에서 균일한 온도 분포를 달성하는 것이다. 공보의 개시 내용은 많은 수의 셀로 구성된 조립식 배터리의 셀들 사이의 온도 편차를 감소시키는 어떠한 기술도 제안하지 않는다.

본 발명은 전술된 종래 기술에서 직면하는 상기의 상황을 고려하여 착상되었고, 본 발명의 목적은 배터리 팩 내부의 각 셀들 사이의 온도 편차를 감소시킬 수 있는 조립식 배터리의 배터리 팩을 제공하는 것이다.

전술된 목적을 달성하도록, 본 발명의 일 태양에 따르면, 라미네이트 필름에 의해 밀봉된 발전기 소자를 각각 포함하는 복수의 편평한 형상의 셀과, 그 두께 방향으로 적층되도록 셀을 수용하고, 적어도 일단부에 형성된 개구를 갖는 케이스와, 케이스의 개구에 고정되어 적층된 셀을 적층 방향으로 가압하는 리드 부재와, 케이스의 개구에 대향하는 측 상에, 적층된 셀들 중 마지막에 위치된 셀과 케이스 사이에 제공되는 바닥 부재와, 셀들 사이에 제공되고 케이스와 접촉되는 제1 트레이와, 리드 부재와 셀 사이에 제공되고 케이스와 접촉되는 제2 트레이와, 바닥 부재와 셀 사이에 제공되고 케이스와 접촉되는 제3 트레이를 포함하며, 리드 부재 및 바닥 부재는 제1 트레이, 제2 트레이와 제3 트레이 중 임의의 하나의 열전도도보다 낮은 열전도도를 갖는 재료로 형성되는 배터리 팩이 제공된다.

양호한 실시예 또는 상기 태양의 예에서, 제1 트레이는 제2 트레이와 제3 트레이 중 어느 하나의 열전도도보다 높은 열전도도를 갖는 재료로 형성될 수 있다.

제1 트레이의 두께 또는 두께 방향 단면 구조는 제1 트레이가 제2 트레이와 제3 트레이 중 어느 하나의 열저항보다 낮은 열저항을 갖도록 변화될 수 있다.

제1 트레이, 제2 트레이 및 제3 트레이 각각은, 적어도 셀 각각의 배치 위치를 안내하고 대향하는 케이스의 내부 벽면에 가압 접촉되는 접촉부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 제1 트레이, 제2 트레이 및 제3 트레이 각각은 셀이 적층되는 두께 방향으로 만곡된 구조로 형성되는 것이 바람직하다.

전술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 트레이 상에 각각 위치된 셀의 적층체로 구성된 배터리에서, 각각의 셀의 열은 트레이에 전도되고, 트레이는 케이스의 내부 벽면에 가압 접촉되어 각각의 셀로부터의 열을 케이스에 전도시키고, 열저항 경로(thermal resistance path)는 각각의 셀로부터의 열을 케이스의 외부벽으로부터 대기로 방출하도록 형성되고, 단위 시간당 각각의 셀로부터 방출된 열량은 적층 셀의 적층 위치에 따라 케이스 및 트레이에 의해 형성된 열저항 경로를 변화시킴으로써 동일하게 되어, 배터리 팩 내의 셀들 사이의 온도 편차가 감소된 배터리 팩을 제공하는 것이 가능해진다.

본 발명의 특징 및 다른 특성은 첨부한 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명의 양호한 실시예가 도면을 참조하여 후술된다. 먼저, 용어 "상부", "하부", "우측", "좌측" 및 유사한 용어는 도면의 설명을 참조하거나 대체로 본 발명에 대해 유용한 상태로 본 명세서에서 사용된다.

[제1 실시예]

본 발명의 제1 실시예가 도1 내지 도5 및 도7을 참조하여 먼저 후술된다. 도1은 케이스(2)의 덮개(3)가 들어 올려져 분리된 상태에서, 배터리 팩의 케이스(2)의 일측 표면을 따라 취해진 단면 내를 바라본, 휴대용 무선 장치, 자동차 등에 사용되는 배터리의 배터리 팩의 분해 사시도이다.

본 발명에 따른 배터리의 배터리 팩은 z축 방향으로 적층된 복수의 편평한 형상의 셀(10)로 구성된 조립식 배터리(1)와, 이후에는 단지 "배터리"로 칭해질 수 있는 배터리(1)를 수용하는 케이스(2)와, 조립식 배터리(1)의 셀(10) 각각의 양전극 단자(12a)와 음전극 단자(12b)를 연결하여 양전극 단자(12a)와 음전극 단자(12b)를 케이스(2)의 외부로 이어지게 하는 배터리 단자(4a) 및 배터리 단자(4b)와, 케이스(2) 내부에 끼워 맞춰져 배터리(1)의 최상부 셀(10)의 표면을 가압하는 리드 부재(5)와, 케이스(2)의 바닥 부분에 제공되는 바닥 부재(6)로 구성된다.

또한, 조립식 배터리(1)는 셀(10)들 사이에 적층된 제1 트레이(1a)(이후에는, 트레이(1a)로 칭해짐), 최상부 셀(10) 상에 위치된 제2 트레이(1b)(이후에는, 트레이(1b)로 칭해짐) 및 그 위에 최하부 셀(10)이 위치되는 제3 트레이(1c)(이후에는, 트레이(1c)로 칭해짐)를 포함한다.

다음에는, 각 부분의 구조가 기술된다. 리튬 배터리와 같은 각각의 셀(10)(본 명세서에서는, 한 쌍의 양전극 단자와 음전극 단자를 갖고 배터리의 최소 출력 유닛을 구성하는 배터리 셀은 셀로 칭해짐)은 다음과 같이 구성된다.

도7에 도시된 바와 같이, 각각의 셀(10)은, 외주연 에지부(B)가 상부 라미네 이트 필름(14a) 및 하부 라미네이트 필름(14b)으로 구성된 박판형(sheet-like) 밀폐식 밀봉 수단에 의해 융착되어 합성된 구조체의 내부를 밀봉하고, 발전기 소자 단자(11a), 발전기 소자 단자(11b) 및 도시되지 않은 전해질을 각각 포함하는 복수의 발전기 소자(11)는 수직 축(z축) 방향으로 적층되도록 구성된다. 발전기 소자(11)에 연결되어 있는 양전극 단자(12a) 및 음전극 단자(12b)는 x축 방향에 대한 밀봉된 외주연 에지부(B)의 대향 단부로부터 인출된다.

상부 라미네이트 필름(14a) 및 하부 라미네이트 필름(14b) 각각은 맨 안쪽 층에 위치된 열 밀봉(heat-seal) 수지 필름을 갖는 복합 필름 재료, 알루미늄 포일과 같은 금속 포일 및 강성을 갖는 유기 수지 필름으로 구성되며, 기술된 순서로 적층된다.

사용가능한 열 밀봉 수지 필름의 예는 폴리에틸렌(PE) 필름, 폴리프로필렌(PP) 필름, 폴리프로필렌-폴리에틸렌 혼성 중합체 필름, 이오노머 필름(ionomer film) 및 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 필름을 포함한다. 또한, 사용가능한 강성을 갖는 유기 수지 필름의 예는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름 및 나일론 필름을 포함한다.

셀(10)의 전극 단자부(A)는, 밀봉 특성을 유지하는 기능을 하는 폴리에틸렌 등으로 제조된 밀봉제(16)가 상부 라미네이트 필름(14a)과 하부 라미네이트 필름(14b) 사이에 끼워진 상태로, 다른 외주연 에지부와 정렬되어 열 밀봉됨으로써, 전해질 누설이 발생되지 않도록 밀봉을 수행한다.

전술된 바와 같은 밀봉제(16)는 전극 단자에 대향하는 표면과 상부 라미네이 트 필름(14a) 및 하부 라미네이트 필름(14b)에 대향하는 표면 사이에서 다른 특성을 나타내는 다층 구조의 절연 수지 필름으로 형성되는 것이 바람직하다.

예컨대, 2층 구조를 갖는 절연 수지 필름의 경우, (ⅰ) 절연 수지 필름은 산 변성(acid-denatured) 폴리에틸렌 층이 전극 단자(12)와 접촉되는 측에 배치된 상태로, 산 변성 폴리에틸렌 층 및 폴리에틸렌 층으로 구성되거나 (ⅱ) 절연 수지 필름은 산 변성 폴리프로필렌 층이 전극 단자(12)와 접촉되는 측에 배치된 상태로, 산 변성 폴리프로필렌 층 및 폴리프로필렌 층으로 구성되는 것이 바람직하다.

예컨대, 3층 구조를 갖는 절연 수지 필름의 경우, (ⅰ) 산 변성 폴리에틸렌 층이 폴리에틸렌 층의 어느 한쪽 측에 배치된 상태로, 중간층에 배치되거나 (ⅱ) 산 변성 폴리프로필렌 층이 폴리프로필렌 층의 어느 한쪽 측에 배치된 상태로, 중간층에 배치되는 것이 바람직하다.

사용되는 산 변성 폴리에틸렌은 예컨대, 산 변성 저밀도 곧은 사슬(straight-chain) 폴리에틸렌 또는 산 변성 곧은 사슬 폴리에틸렌인 것이 바람직하다.

또한, 사용되는 폴리에틸렌은 예컨대, 중간 밀도 도는 고밀도 폴리에틸렌인 것이 바람직하다.

또한, 사용되는 폴리프로필렌은 예컨대, 단일 중합체계 폴리프로필렌인 것이 바람직하다.

또한, 사용되는 산 변성 폴리프로필렌은 랜덤 혼성 중합체계 폴리프로필렌인 것이 바람직하다.

셀(10)을 배터리(1)에 조립할 때, 셀(10)의 수 및 셀의 연결, 즉 직렬 또는 병렬 연결은 필요한 전기 커패시턴스 및 전압에 기초하여 미리 설정된다.

또한, 편평한 형상의 얇은 셀(10) 각각에 있어서, 전해질을 포함하는 발전기 소자(11)가 금속층 또는 합성 수지층과 같은 강화 재료가 개재된 통합 중합체계(integrated polymer-based) 밀봉제로 각각 구성된 라미네이트 필름(14a, 14b)에 의해 밀폐식으로 밀봉된다.

또한, 케이스(2)는 알루미늄과 같은 양호한 열전도도를 갖는 금속으로 통상 제조된다.

다음에는, 도2a 내지 도4b를 참조하여 각각의 셀(10)이 위치되는 트레이(1a, 1b, 1c)가 기술된다. 여기서, 조립식 배터리(1)의 최상부 셀(10) 상에 위치되는 트레이(1b) 및 그 위에 배터리(1)의 최하부 셀(10)이 위치되는 트레이(1c)는 셀(10)이 트레이 상에 위치되는지 또는 트레이가 셀(10) 상에 위치되는지 여부에 있어서만 서로 다르고, 열저항 경로의 열 방출 작용의 관점에서는 서로 동일한 것으로 간주될 수 있다. 따라서, 이하의 설명은 트레이(1b)와 트레이(1c) 중 단지 하나의 경우에 집중된다.

도2a 및 도2b는 복수의 셀(10)이 적층될 때 각각의 셀(10), 세 개의 트레이(1a) 및 하나의 제3 트레이(1c)를 도시하는, 트레이(1a)의 도면이다. 또한, 도4a 및 도4b는 도3의 x-z 평면을 따라 취해진 제1 트레이(1a)의 위치 설정부(A) 및 접촉부(B)의 부분 단면도이다.

복수의 접촉부(B)는 서로 대향하면서 트레이(1a)의 양쪽 단부에 제공된다. 또한, 도4a에 도시된 바와 같이, 각각의 접촉부(B)는 대향하는 케이스(2)의 내부 벽면 각각에 접촉되는 접촉 부분(B1) 및 절곡 부분(B2)으로 구성된다. 도2 및 도3에는, 접촉부(B)는 L자 형상으로 도시되어 있지만, 특히, 원으로 둘러싸인 접촉부(B)는 도4a에 도시된 화살표로 지시된 사시도에 도시된 바와 같이 접촉 부분(B1) 및 절곡 부분(B2)에 의해 형성된 형상을 갖는다.

이제, 이러한 접촉부(B) 및 트레이(1c)가 구비된 트레이(1a)를 사용하는 본 발명에 따른 배터리 팩의 열전도의 원리에 대해 설명한다.

트레이(1a) 및 트레이(1c)는 각각의 셀(10)의 열을 케이스(2)에 전달하는 열저항 경로를 각각 형성한다. 열저항 경로의 열저항은 트레이(1a, 1c) 각각의 열전도 경로의 구성 및 재료에 의해 결정된 열저항 및 이후에 기술되는 트레이(1a, 1c) 각각에 구비된 접촉부(B)에 의한 접촉 열저항으로 구성된다.

열전도의 원리는 다른 위치에 적층된 각각의 셀(10)이 위치되는 트레이(1a, 1c)에 의해 형성된 열저항 경로의 열저항이 각각의 셀(10)로부터 방출된 열량이 동일하게 되도록 변화되어, 각각의 셀(10)들 사이의 온도 편차를 억제하여 균일한 온도를 달성하는 것이다.

다음에는, 트레이(1a, 1c)의 구조가 상세히 기술된다. 각각의 트레이(1a, 1c)는 금속과 같은 큰 열전도도를 갖는 재료로 형성되고, 셀(10)이 위치되는 위치를 결정하는 위치 설정부(A) 및 케이스(2)의 내부 측벽과 가압 접촉되어 셀(10)로부터의 열이 전달되는 접촉부(B)를 트레이(1a, 1c) 각각의 편평한 형상부의 단부에 갖는다.

먼저, 도2a를 참조하여 각각의 트레이(1a, 1c)의 편평한 형상부의 구조를 설정하는 방법이 설명된다.

셀(10)의 편평한 형상부 Wxb×Wyb의 배치를 가능케하도록, 각각의 트레이(1a, 1c)의 편평한 형상부 Wxt×Wyt는 Wxt > Wxb와 Wyt ≥ Wyb로 설정된다.

즉, x축 방향에 대한 트레이 치수 Wxt는 양전극 단자(12a)와 음전극 단자(12b)를 연결하기 위한 마진을 남기도록 대응하는 셀(10)의 치수보다 크게 설정되고, y축 치수에 대한 치수 Wyt는 셀(10)의 배치 위치가 쉽게 결정될 수 있도록 셀(10)의 y축 방향에 대한 치수 Wyb와 일치하도록 설정된다.

또한, 접촉부(B)를 제외한 편평한 형상의 트레이(1a) 부분의 열저항이 δta이고 트레이(1a)의 양쪽 단부에서의 접촉부(B)의 접촉 열저항이 δca인 경우, 트레이(1a)로부터 케이스(2)에 전달되는 열에 대한 열저항 경로의 열저항 δra는 다음 식으로 표현된다.

δra = δta + δca (1)

마찬가지로, 트레이(1c)의 열저항 경로의 열저항 δra는 다음 식으로 표현된다.

δrc = δtc + δcc (2)

또한, 두 개의 트레이의 열전도도가 동일하다고 가정하면, 열저항 δta 및 열저항 δtc는 다음과 같이 표현되며,

δta(=δtc)∝λ × 1/t (3)

여기서, 적층체의 중앙부의 트레이(1a)는 셀(10)의 양쪽 표면으로부터 열을 전달하고, 적층체의 단부의 트레이(1c)는 트레이(1a)에 의해 셀(10)의 한 표면으로부터 전달된 열의 절반과 동일한 열을 전달한다. 따라서, 두 개의 트레이로부터의 단위 시간당 열전달량을 같게(동일하게) 하도록, 트레이(1a)에 의해 전달된 열량이 트레이(1c)에 의해 전달된 열량의 두 배가 될 필요가 있다.

따라서, 식 δra × 2 ≒ δrc (4)를 만족하도록, 트레이(1a)의 두께 "t"는 열저항 δta 또는 접촉 열저항 δca가 작아지도록 트레이(1c)의 두께보다 커져야 한다.

열저항 δta와 접촉 열저항 δca 중 어느 하나가 변화될 수 있지만, 통상, 트레이(1a) 및 트레이(1c)는 동일한 두께를 갖도록 형성되고(δta = δtc), 이후에 상세히 기술되는 접촉부(B)의 접촉 열저항 δta 및 접촉 열저항 δca가 변화되기 때문에, 소정의 열저항은 미리 설정된다.

다음에는, 위치 설정부(A)가 기술된다. 위치 설정부(A)는 다음과 같이 형성된다. 즉, 예컨대 도2a에 도시된 바와 같이, 편평한 형상부의 각각의 단부는 두 대향 위치에서 절곡되고, 전술된 바와 같이 양쪽 단부 사이의 내부 치수 Wxt는 소정의 치수 공차 내에서 편평한 형상의 셀(10)의 x축 방향에 대한 치수 Wxb와 일치하도록 설정되어, 셀(10)에 대한 배치 위치가 도2b에 도시된 바와 같이 용이하게 결정되는 것이 가능해진다.

그 후, 도3에 도시된 바와 같이 복수의 이러한 셀(10)이 조립식 배터리(1)를 형성하도록 적층된다.

다음에는, 접촉부(B)의 구조가 상세히 기술된다. 이제, 도4a를 다시 참조하 면, 각각의 접촉부(B)는 대향하는 케이스(2)의 내부 벽면 각각과 접촉하는 접촉 부분(B1) 및 접촉 부분(B1)과 가압 접촉되는 절곡 부분(B2)으로 구성된다.

접촉부(B)는 예컨대 SUS와 같은 얇은 스프링 재료로 형성된다. 접촉부(B)는 소정의 접촉 압력으로 케이스(2)의 내부 벽면과 가압 접촉되고, 케이스(2)에 대한 셀(10)로부터의 접촉 열저항이 진동 등으로 인해 트레이(1a) 및 트레이(1b)의 위치 편차가 발생되는 경우에도 변화되지 않도록 구성된다.

접촉부(B)의 접촉 열저항의 설정에 관하여, 트레이(1a)의 접촉부(B)의 접촉 열저항 δca는 접촉 부분(B1)의 접촉 단면적 "s" 및 접촉 압력 "p"의 결과에 비례한다. 따라서, 접촉 열저항의 설정은 접촉 부분(B1)의 접촉 단면적 "s"를 변화시킴으로써(또는, 접촉 부분(B1)의 수를 변화시켜 접촉 단면적 "s"를 변화시킴으로써) 용이하게 수행될 수 있지만, 이러한 설정은 이들 중 어느 하나를 변화시킴으로써 수행될 수 있다.

또한, 접촉부(B)의 접촉 열저항이 작고 안정되도록, 접촉 열저항은 접촉부(B) 또는 트레이(1a)와 트레이(1b)의 전체에 대해 양호한 열전도도를 갖는 그리스(grease)를 도포함으로써 미리 작아질 수 있다.

또한, 안정적인 접촉 열저항은 접촉부(B)를 작은 접촉 단면적을 갖는 선접촉시킴으로써 달성될 수 있다.

또한, 도4b에 도시된 바와 같이, 트레이(1a) 및 트레이(1c)의 상대 접촉 열저항을 변화시키도록, 다른 열전도도를 갖는 밀봉제 또는 밀봉 화합물을 각각의 접촉 부분(B1)에 접합하여 트레이(1a) 및 트레이(1c)의 열저항을 상대적으로 조절하 는 것도 가능하다.

전술된 바와 같이, 트레이(1a) 및 트레이(1c)의 접촉 열저항의 설정에 관하여, 셀(10) 표면의 중앙부의 접촉 부분(B1)의 접촉 단면적 "s"을 증가시키는 것과, 접촉 부분(B1)의 접촉 압력을 증가시키는 것과, 접촉 부분(B1)의 수를 증가시키는 것 중 적어도 어느 하나에 의해 접촉 열저항을 더 작게 하거나, 셀(10) 표면의 주연부의 트레이(1c)의 접촉 부분(B1)의 접촉 단면적 "s"를 감소시키는 것과, 접촉 부분(B1)의 가압 접촉력을 감소시키는 것과, 접촉 부분(B1)의 수를 감소시키는 것 중 적어도 어느 하나에 의해 접촉 열저항을 더 크게 하여, 각각의 접촉 열저항 값을 변화시켜 각각의 셀(10)로부터의 열 방출량을 균일하게 함으로써, 각각의 셀(10)의 온도 편차를 억제시킨다.

또한, 전술된 바와 같이 트레이(1a) 및 트레이(1c)를 사용하는 것은 열저항 경로의 설정을 용이하게 하고 셀(10)의 조립시 수행되는 위치 설정 작업도 용이하게 한다.

이하에서는, 도1을 참조하여 배터리(1)가 사이에 끼워지도록 위아래 대향 관계로 제공되는 리드 부재(5) 및 바닥 부재(6)가 설명된다.

리드 부재(5) 및 바닥 부재(6)는 케이스(2)의 내부 치수로 끼워 맞춰지도록 형성되고, 적층 셀(10)의 열이 트레이(1a) 및 트레이(1c)를 거쳐 케이스(2)의 측벽 표면으로부터만 방출되도록 예컨대, 경질 우레탄 발포체와 같은 낮은 열전도도을 갖는 열 절연 재료가 재료로서 사용된다.

또한, 리드 부재(5)는 셀(10) 적층체의 표면을 가압한다. 케이스(2) 내부에 서 셀(10) 각각의 변위를 방지하도록, 리드 부재(5)는 리드 부재(5)가 소정의 가압력을 인가하는 위치, 예컨대 도5에 도시되어 있는 케이스(2)에 구비된 변형부(2a)의 위치에서 절곡되어 고정된다.

그 후, 각각의 양전극 단자(12a)와 음전극 단자(12b) 및 배터리 단자(4a, 4b)가 알루미늄 또는 구리와 같은 고전도도 금속으로 소정의 구조로 형성되고 케이스(2)로부터 절연되면서 케이스(2)에 고정된다.

또한, 셀(10)의 양전극 단자(12a)와 음전극 단자(12b) 사이의 결합 부분과, 조립식 배터리(1)의 양전극 단자(12a) 및 음전극 단자(12b)와 배터리 단자(4a, 4b) 사이의 결합 부분은 예컨대, 용접 등에 의해 함께 용융된다.

다음에는, 도5를 참조하여 전술된 바와 같이 구성된 케이스(2) 내부의 각각의 셀(10)들 사이의 온도 편차를 억제하는 열전도 작용을 설명한다.

도5는 배터리 팩의 케이스(2)의 중심 위치로부터 취해진 x-y 평면의 단면도이고 적층 셀(10) 각각의 중심 부분 및 단부 부분으로부터의 열이 케이스(2)의 측벽으로부터 방출되는 방법을 도시한 모델의 도면이다. 트레이(1a, 1b, 1c)에 대한 절결 화살표는 열이 전도되는 방향을 나타내고 화살표 각각의 두께는 열량을 나타낸다.

5층 적층체를 형성하는 각각의 적층 셀(10), 즉 셀(10)(z1) 내지 셀(10)(z5)은 적층 순서로 바닥으로부터 도시되어 있다. 절결 화살표에 의해 나타난 바와 같이, 각각의 셀(10)의 줄열 및 화학 반응열은 대응하는 셀(10)의 하부면과 후방면으로부터 각각의 트레이(1a, 1b, 1c)에 전달되고 케이스(2)의 외부벽으로부터 대기로 방출되기 전에 트레이(1a, 1b, 1c)의 단부의 접촉부(B)를 거쳐 케이스(2)의 내부벽에 전달된다.

각각의 셀(10)의 z방향으로의 열 전도에 관하여, 열 절연은 셀(10)(z1)의 하부 측을 향하는 방향 및 셀(10)(z5)의 상부 측을 향하는 방향에 대한 바닥 부재(6) 및 리드 부재(5)에 의해 상하부 측을 향하는 방향으로 각각 수행됨으로써, 열은 트레이(1b, 1c)를 거쳐 케이스(2)에 전달된다.

이러한 열 전도시, 셀(10)의 중심에 대한 x축 방향 및 y축 방향으로 동일한 열저항 경로가 셀(10)의 중심에 대해 축대칭으로 형성되지만, z축 방향에서는 케이스(2)의 중앙부에 위치된 트레이(1a)에 의해 전도된 열량 및 트레이(1b, 1c)에 의해 전도된 열량이 서로 다르게 된다.

즉, 트레이(1a)는 셀(10)의 상부면과 하부면 양쪽 모두로부터 열을 전도하지만, 트레이(1b, 1c)는 셀(10)의 전면과 후면 중 하나로부터 열을 각각 전도한다. 따라서, 소정의 열저항 경로의 열저항 값은 트레이(1a)에 의한 열전도량이 각각의 트레이(1b, 1c)에 의한 열전도량보다 크도록 미리 설정된다.

본 발명에 따르면, 트레이(1a, 1b, 1c)는 후술되는 바와 같이 각각의 셀(10)의 중앙부로부터 케이스(2)의 내부 벽면에 열을 전도한다.

예컨대, 셀(10)(z5)의 중앙부의 트레이(1b)의 중앙부(Pcz5)에서의 온도가 θc5이고 케이스(2)의 내부 벽면과 트레이(1b)의 접촉 부분의 온도가 θw라고 가정하면, 단위 시간당 트레이(1b)를 통해 전도되는 열량 Ｑcz5는 다음 식으로 표현된다.

Ｑcz5∝(θc5 - θw)/δrb(= δtb + δcb) (5)

여기서, δrb는 트레이(1b)로부터 케이스(2)에 전달되는 열에 대한 열저항 경로의 열저항, δtb는 접촉부(B)를 제외한 트레이(1b)의 부분의 열저항, δcb는 트레이(1b)의 어느 한쪽 단부에서 접촉부(B)의 접촉 열저항을 나타낸다.

또한, 셀(10)(z4)의 중앙부의 트레이(1a)의 중앙부(Pcz4)에서의 온도가 θc4이고 케이스(2)의 내부 벽면과 트레이(1a)의 접촉 부분의 온도가 θw라고 가정하면, 단위 시간당 트레이(1a)를 통해 전도되는 열량 Ｑcz4는 다음 식으로 표현된다.

Ｑcz4∝(θc4 - θw)/δra(= δta + δca) (6)

여기서, δra는 트레이(1a)로부터 케이스(2)에 전달되는 열에 대한 열저항 경로의 열저항, δta는 접촉부(B)를 제외한 트레이(1a)의 부분의 열저항, δca는 트레이(1a)의 양쪽 단부에서 접촉부(B)의 접촉 열저항을 나타낸다.

여기서, 트레이(1a) 및 트레이(1b)에 의해 전달되는 열량은 Ｑcz4 > Ｑcz5 (7)로 표현되기 때문에, 트레이(1b)의 중앙부(Pzc5)에서의 온도와 트레이(1b)의 중앙부(Pzc4)에서의 온도가 동일하도록, 즉, 식 θc5 = θc4를 만족하도록 다음 식을 만족하여야 하며,

Ｑcz5/Ｑcz4∝δra/δrc (8)

즉, 각각의 접촉부(B) 이외의 트레이(1a, 1b) 구조는 δtb = δta이도록 서로 동일하고, 접촉부(B) 각각의 접촉 열저항 δcb 및 접촉 열저항 δca는 단위 시간당 각각의 트레이에 의해 전도되는 열전달량(열량)이 동일하도록 미리 설정됨으로써, 셀 각각의 온도는 동일하게 된다.

전술된 바와 같이, 트레이(1a)의 열저항이 작게 설정되고, 신호 셀(10) 각각 의 열이 케이스(2)의 표면으로부터 방출되는 트레이 각각의 열 전도 경로의 열전도도의 비(= 1/열저항)가 동일하도록 트레이(1b)의 열저항이 크게 설정됨으로써, 셀(10)(z5)의 중앙부(Pcz5)와 셀(10)(z4)의 중앙부(Pcz4) 사이의 온도 편차를 감소시킨다.

다음에는, 도1을 다시 참조하여 본 발명에 따른 배터리 팩의 고정 방법이 기술된다. 도1에 도시된 바와 같이, 배터리 팩을 제 위치에 고정하도록, 장착 구멍(2h)이 케이스(2)의 측방향 표면의 부분(C) 및 케이스(2)의 바닥 부분의 부분(D)에 제공되고, 배터리 팩은 나사에 의해 직접 고정된다.

즉, 본 발명에 따른 배터리 팩은 케이스(2) 내부의 각각의 셀(10)들 사이의 온도 편차가 최소가 되도록 구성되기 때문에, 케이스(2)의 각 부분들 사이의 온도 불균일이 감소됨으로써, 나사를 사용하여 배터리 팩의 케이스(2)를 고정하는 것이 가능하다.

또한, 본 실시예에 따른 배터리 팩은 케이스(2)가 열 방출부로서 기능하기 때문에 양호한 열 방출 특성을 나타내고, 배터리 팩의 선형 팽창으로 인한 치수의 편차가 극히 작아서, 케이스(2)의 나사 고정부에서 응력 집중이 방지될 수 있다. 그 결과, 배터리 팩은 나사에 의해 제 위치에 고정될 수 있다.

또한, 케이스(2)는 열 방출부로서 기능하기 때문에, 공기에 의한 열전달에 비해, 나사 체결에 의해 금속과 같은 부재에 긴밀하게 고정됨으로써 향상된 열전달 및 열 방출 특성을 얻을 수 있다.

따라서, 휴대용 무선 장치 또는 자동차의 열 방출 구조체에 직접 고정될 수 있는 조립식 배터리의 배터리 팩을 제공하는 것이 가능하다.

[제2 실시예]

이하에서는, 도6을 참조하여 본 발명의 제2 실시예가 기술된다. 도1 내지 도5에 도시된 제1 실시예에 따른 배터리 팩의 부분에 대응하는 제2 실시예의 각 부분은 동일한 도면부호로 나타내지며 그에 대한 설명은 생략된다.

제2 실시예는, 제1 실시예에서는 트레이(1a, 1b, 1c)가 접촉부(B)를 제외한 각각의 셀(10)이 위치되는 부분이 동일한 편평한 형상의 구조를 갖도록 형성되지만, 제2 실시예에서는 셀(10)이 위치되는 각 트레이의 편평한 형상부가 만곡된 구조를 갖도록 만곡된다는 점에서 제1 실시예와 다르다.

도6a는 위에서 바라본 리드 부재(5)를 제외한 배터리 팩의 평면도이고, 도6b는 도6a의 선 VIB-VIB를 따라 취해진 단면도이고 도6c는 도6a의 선 VIC-VIC를 따라 취해진 단면도이다.

제2 실시예에 따른 트레이(1a)에는 대향하는 케이스(2)의 내부 벽면과 y축 방향에 대해 가압 접촉되는 8개의 접촉부(8)가 구비되어 있다. 면접촉의 경우보다 선접촉의 경우에 더 안정적인 접촉 열저항이 얻어질 수 있다. 본 실시예에서, 필요한 접촉 열저항은 접촉부(B)의 수를 증가시킴으로써 달성될 수 있기 때문에, 접촉부(B)는 선접촉될 수 있다. 또한, 접촉부(B)는 절곡에 의해 형성되기 때문에, 각각의 접촉부(B)는 스프링으로서 또한 기능할 수 있어, 케이스(2)와 접촉부(B)의 접촉 압력의 편차를 감소시킬 수 있다.

전술된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 트레이(1a)는 접촉 열저항의 편차를 감소시켜, 열 접촉 저항의 편차로 인한 트레이(1a)의 온도의 불균일을 방지할 수 있다. 그 결과, 셀(10)들 사이의 온도의 불균일로 인해 발생되는 성능 열화를 방지할 수 있다.

본 발명은 전술된 실시예에 제한되지 않으며 다양한 변경예 및 변형예가 첨부한 특허청구범위의 범주로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.

예컨대, 셀을 위한 접촉부 및 위치 설정부가 구비된 임의의 트레이가 셀이 위치되는 트레이로서 사용될 수 있다. 또한, 적층 셀의 온도가 트레이와 셀의 표면 사이의 접촉부, 트레이 및 트레이와 케이스 사이의 접촉부로 구성된 열저항 경로를 변화시킴으로써 동일하게 되는 한 임의의 구성이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시에서, 트레이의 구성 및 재료, 각각의 셀의 구성에 따른 각각의 트레이와 케이스 사이의 접촉부의 구조에 대한 다양한 변형예가 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 배터리 팩 내부의 각 셀들 사이의 온도 편차가 감소된 조립식 배터리의 배터리 팩을 제공할 수 있다.

Claims

라미네이트 필름에 의해 밀봉된 발전기 소자를 각각 포함하는 복수의 편평한 형상의 셀과,

두께 방향으로 적층되도록 셀을 수용하고, 적어도 일단부에 형성된 개구를 갖는 케이스와,

케이스의 개구에 고정되어 적층된 셀을 적층 방향으로 가압하는 리드 부재와,

케이스의 개구에 대향하는 측 상에, 적층된 셀들 중 마지막에 위치된 셀과 케이스 사이에 제공되는 바닥 부재와,

셀들 사이에 제공되고 케이스와 접촉되는 제1 트레이와,

리드 부재와 셀 사이에 제공되고 케이스와 접촉되는 제2 트레이와,

바닥 부재와 셀 사이에 제공되고 케이스와 접촉되는 제3 트레이를 포함하며,

리드 부재 및 바닥 부재는 제1 트레이, 제2 트레이와 제3 트레이 중 임의의 하나의 열전도도보다 낮은 열전도도를 갖는 재료로 형성되는 배터리 팩.
제1항에 있어서, 제1 트레이는 제2 트레이와 제3 트레이 중 어느 하나의 열전도도보다 높은 열전도도를 갖는 재료로 형성되는 배터리 팩.
제1항에 있어서, 제1 트레이는 제1 트레이가 제2 트레이와 제3 트레이 중 어 느 하나의 열저항보다 낮은 열저항을 갖도록 변화되는 두께 또는 두께 방향 단면 구조를 갖는 배터리 팩.
제1항에 있어서, 케이스는 나사 구멍이 제공되는 측벽을 갖는 배터리 팩.
제1항에 있어서, 케이스는 나사 구멍이 제공되는 바닥 부분을 갖는 배터리 팩.
제1항에 있어서, 제1 트레이, 제2 트레이 및 제3 트레이 각각은, 셀 각각의 배치 위치를 안내하고 대향하는 케이스의 내부 벽면에 셀을 가압 접촉시키는 접촉부를 포함하는 배터리 팩.
제6항에 있어서, 케이스에 접촉된 제1 트레이, 제2 트레이 및 제3 트레이 각각의 접촉부는 케이스의 내부 벽면에 선접촉 또는 면접촉되는 복수의 얇은 판 스프링에 의해 형성되고, 가압 접촉을 위해 케이스의 개구를 향해 절곡되어 있는 배터리 팩.
제6항에 있어서, 케이스에 대한 제1 트레이, 제2 트레이 및 제3 트레이 각각의 접촉부는 케이스의 내부 벽면에 선접촉 또는 면접촉되는 복수의 얇은 판 스프링에 의해 형성되고, 케이스의 내부 벽면에 가압 접촉되는 배터리 팩.
제6항에 있어서, 케이스에 대한 제1 트레이, 제2 트레이 및 제3 트레이 각각의 접촉부는 셀의 적층 방향에 직교하는 방향에 대해 다른 방향으로 절곡된 복수의 얇은 판 스프링을 포함하는 배터리 팩.
제6항에 있어서, 케이스에 대한 제1 트레이, 제2 트레이 및 제3 트레이 각각의 접촉부는 제1 트레이, 제2 트레이 및 제3 트레이가 적층될 때 적어도 한 방향으로 서로 끼워맞춤 결합되는 끼워맞춤 결합부를 포함하는 배터리 팩.
제1항에 있어서, 제1 트레이, 제2 트레이 및 제3 트레이 각각은 셀이 적층되는 두께 방향으로 만곡된 구조로 형성되는 배터리 팩.