KR100767912B1 - 조립식 배터리의 배터리 팩 및 조립식 배터리의 고정 방법 - Google Patents

조립식 배터리의 배터리 팩 및 조립식 배터리의 고정 방법 Download PDF

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Abstract

배터리의 배터리 팩은 라미네이트 필름에 의해 밀폐식으로 밀봉되는 복수의 편평한 형상의 셀과, 복수의 적층 셀을 저장하는 케이스와, 셀을 케이스의 외부에 병렬 또는 직렬로 연결하는 배터리의 양전극 단자 및 음전극 단자와, 케이스 내에 저장된 셀의 라미네이트의 최상측 표면으로부터 케이스의 내측을 향해 셀의 적층 방향과 대향 방향으로 셀을 가압하는 뚜껑 부재와, 소정의 가압력이 가해지는 위치에서 뚜껑 부재를 케이스에 고정시키는 고정 부재를 포함한다.
배터리 팩, 셀, 케이스, 뚜껑 부재, 전극 단자, 배터리 단자, 라미네이트 필름

Description

조립식 배터리의 배터리 팩 및 조립식 배터리의 고정 방법{BATTERY PACK OF ASSEMBLED BATTERY AND FIXING METHOD OF ASSEMBLED BATTERY}
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 조립식 배터리의 배터리 팩 구조를 도시하는 전개 사시도.
도2는 본 발명에 따른 배터리의 배터리 팩의 일반적인 구조를 도시하는 도면.
도3은 뚜껑 부재의 가압력의 설정이 본 발명에 따른 배터리의 배터리 팩에 어떻게 실시되는지를 도시하는 설명도.
도4a 및 도4b는 본 발명에 따른 배터리의 배터리 팩의 뚜껑 부재를 고정하기 위한 케이스의 플라스틱 변형부의 예를 도시하는 도면.
도5는 종래의 리튬 셀 배터리의 구조를 도시한 도면.
도6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 조립식 배터리의 배터리 팩 구조를 도시하는 단면도.
도7a 및 도7b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 트레이의 구조를 도시하는 사시도.
도8의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 트레이 상에 각각의 셀이 위치된 상태를 도시하는 도면으로서, 도8의 (a) 및 (b)는 사시도이고, 도8의 (c)는 단면도인 도면.
도9a 내지 도9d는 본 발명의 제3 실시예에 따른 조립식 배터리의 배터리 팩의 구조를 도시하는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 조립식 배터리
1a : 트레이
2 : 케이스
3 : 커버
4a, 4b : 배터리 단자
5 : 뚜껑 부재
10 : 셀
본 발명은 라미네이트 필름(laminate film)으로 싸인 복수의 적층 셀로 구성된 조립식 배터리(assembled battery)의 배터리 팩에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 배터리에 가해지는 진동 또는 충격과 같은 외력에 대해서 기계적으로 고정된 구조의 조립식 배터리의 배터리 팩, 및 배터리 고정 방법에 관한 것이다.
종래의 배터리 팩은 하나의 셀로 구성된다. 이러한 배터리 팩은 용량이 작고 비교적 작은 진동 또는 충격을 수반하는 적용에 대해서 용도가 종종 제한된다. 최근에, 리튬 배터리와 같은 복수의 셀로 구성된 경량이고 소형이지만, 고용량의 배터리가 휴대용 장치, 전기 자동차 등에 사용되도록 개발되어 왔다. 여기서, 조립식 배터리는 단지 "배터리"로 불리 울 수 있다.
이러한 적용에 사용되는 리튬 배터리 등의 각각의 개별 셀(여기서, 한쌍의 양전극 단자와 음전극 단자가 구비되고 조립식 배터리의 최소 출력 유닛을 구성하는 배터리 셀은 셀이라 간주됨)은 하기와 같이 구성된다.
즉, 편평한 형상의 셀의 전극 단자 부분은 폴리에틸렌과 같은 밀봉재를 매개로 밀봉 특성을 유지하도록 라미네이트 필름 사이에 개재되고, 이후 외주연 에지부를 따라서 열 밀봉됨으로써 전해질의 누출을 방지한다.
휴대용 장치 또는 전기 자동차에 사용되는 조립식 배터리는 대용량을 가질 필요가 있기 때문에, 배터리는 다수의 적층 셀을 이용하며, 그에 따라서 배터리 팩의 질량이 증가하게 된다.
또한, 이러한 배터리는 종래의 배터리보다 큰 진동 폭 및 보다 넓은 진동 주파수 대역을 수반하는 환경하에서 사용되기 때문에, 각 셀의 전극 단자 부분, 셀의 전극 단자 사이의 용접 연결부, 및 셀의 전극 단자와 얻어진 배터리의 배터리 단자 사이의 용접 연결부에서의 피로 파손이 예상되거나, 또는 각 셀의 열-밀봉부의 파손이 쉽게 발생할 수 있다.
이러한 관점에서, 이러한 복수의 편평한 형상의 셀이 소정의 출력을 얻도록 적층되는 구조를 갖는 조립식 배터리의 배터리 팩에 대해서, 밀봉 수단의 표면을 가압하는 가압 부재, 및 가압 부재를 제 위치에 지지 및 고정시키는 스프링과 같은 탄성 부재로 구성된 고정 수단에 의해 배터리의 개별 셀의 라미네이트를 제 위치에 고정시키고, 그에 따라 배터리 팩의 외부로부터 가해진 진동에 대해서, 전극 단자의 용접 연결부의 피로 파손 및 각각의 셀의 열-밀봉부의 박리에 기인한 전해질 용액의 누출을 방지하는, 예를 들면 일본 특허 출원 공개 공보 제2004-55346호에 개시된 바와 같이 기법이 제안되었다.
상기 일본 공개 공보에 개시된 고정 수단은 셀과 가압 부재 사이의 접촉부의 중심 위치가 스프링과 같은 탄성 부재에 의해 지지되고 가압되는 진동 억제 방법을 이용한다. 따라서 고정 수단은 셀의 고유 진동을 억제하는 고정 방법이다.
따라서, 적층된 셀이 탄성 부재에 의해 지지되기 때문에, 진동에 의해 변위는 일정하게 나타나므로, 각각의 셀의 위치 변위, 전극 단자의 용접 연결부의 피로 파손, 및 셀의 열-밀봉부의 파손과 같은 문제점은 여전히 발생한다.
또한, 탄성 부재에 의해 중심 위치를 지지하는 전술된 방법은 고정 수단용 부품 개수의 증가에 따라 구조체가 복잡해지고, 탄성 부재와 같은 스프링의 변위를 허용하는 공간을 확보할 필요성으로 인한 데드 스페이스(dead space)의 증가로 인해 배터리의 배터리 팩 사이즈가 증가한다는 단점을 갖는다.
본 발명은 전술된 종래기술에서 나타난 상황을 고려하여 이루어진 것이고, 따라서 본 발명의 목적은 조립식 배터리의 배터리 팩 및 그의 고정 방법을 제공하는 것이며, 배터리 팩 내에 저장된 셀에 대해서 위치 변위 방지 효과 및 진동 억제 효과를 향상시키고, 간단한 구조체 및 공정에 의해 부품 개수의 증가가 가능한 한 회피되도록 한다.
이러한 및 다른 목적은 일 특징에 있어서, 라미네이트 필름에 의해 밀폐식으로 밀봉된 복수의 편평한 형상의 셀을 구비하는 조립식 배터리와, 두께 방향으로 적층될 수 있게끔 셀을 수용하고, 적어도 그의 일 단부에 형성된 개구를 갖는 케이스와, 케이스의 개구의 일 단부로부터 적층 방향으로 적층된 셀을 가압하는 뚜껑 부재와, 소정의 가압력이 가해지는 위치에서 뚜껑 부재를 케이스에 고정시키는 고정 부재를 포함하는 조립식 배터리의 배터리 팩을 제공함으로써 본 발명에 의해 달성될 수 있다.
이러한 특징 중 바람직한 실시예에 있어서, 배터리 팩은 뚜껑 부재와 적층된 셀 중 최상측 셀의 표면 사이, 케이스의 바닥면과 적층된 셀 중 최하측 셀의 바닥면 사이, 및 셀의 표면 사이의 각 접촉면에 도포되는 접착제 또는 양면 접착 테이프를 더 포함할 수 있다.
고정 부재는 케이스 및 뚜껑 부재 중 하나에 형성된 변형부를 포함할 수 있고, 변형부는 소정의 가압력이 가해지는 위치에서 뚜껑 부재와 케이스를 고정하도록 변형된다.
뚜껑 부재의 가압력은 라미네이트 필름에 발생되는 인장이 라미네이트 필름의 강도 및 라미네이트 필름의 접착 강도를 초과하지 않으면서 마찰력이 얻어질 수 있는 범위 내에서 설정되고, 마찰력은 조립식 배터리의 외부로부터 진동이 가해질 시에 각각의 셀이 케이스 내에서 변위하는 것을 방지하도록 작용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 특징에 있어서, 두께 방향으로 적층되는 방식으로 적층된 필름에 의해 밀폐식으로 밀봉되는 복수의 셀, 셀을 수용하는 케이스, 및 적층 셀을 가압하는 뚜껑 부재를 갖는 배터리 팩용 조립식 배터리를 고정하는 방법이 제공되며, 이러한 방법은 케이스와 뚜껑 부재에 의해 복수의 셀을 개재시키는 단계와, 사전 설정된 가압력으로 뚜껑 부재를 가압하는 단계와, 가압력의 설정 범위 내에서 뚜껑 부재와 케이스를 제 위치에 고정시키는 단계를 포함하며, 가압력은 라미네이트 필름에 발생되는 인장이 라미네이트 필름의 강도 및 라미네이트 필름의 접착 강도를 초과하지 않으면서 마찰력이 얻어질 수 있는 범위 내에서 설정되고, 마찰력은 배터리의 외부로부터 진동이 가해질 시에 각각의 셀이 케이스 내에서 변위하는 것을 방지하도록 작용한다.
다른 특징에 있어서, 라미네이트 필름에 의해 밀폐식으로 밀봉된 복수의 편평한 형상의 셀을 구비하는 조립식 배터리와, 각각의 셀이 각각 위치되는 복수의 트레이와, 셀이 트레이 상에 위치되면서 두께 방향으로 적층되는 상태로 셀을 수용하고, 적어도 그의 일 단부에 형성된 개구를 갖는 케이스와, 트레이 상에 위치되는 동안 케이스의 개구의 일 단부로부터 적층 방향으로 적층되는 셀을 가압하는 뚜껑 부재와, 소정의 가압력이 가해지는 위치에서 뚜껑 부재를 케이스에 고정시키는 고정 부재를 포함하는 조립식 배터리의 배터리 팩이 제공되며, 복수의 트레이는 케이스 내측에 끼워맞춤된다.
이러한 특징에서, 각각의 트레이는 적어도 각각의 셀에 대한 배치 위치를 안내하는 접촉부를 포함하고, 접촉부는 케이스의 대향 내측 벽면과 접촉한다.
각 트레이의 접촉부는 케이스의 내측 벽면과 선 접촉 또는 면 접촉하는 복수의 얇은 판 스프링으로 형성될 수 있고, 접촉부는 케이스의 내측 벽면과 가압 접촉하게 된다. 각 트레이의 접촉부는 셀의 적층 방향에 수직한 방향에 대해서 상이한 방향으로 굴곡되는 복수의 얇은 판 스프링을 포함할 수 있다. 각 트레이의 접촉부는 트레이가 서로 끼워맞춤 결합되는 끼워맞춤 결합부를 포함할 수 있다.
트레이는 셀이 적층되는 편평한 형상의 판을 만곡시킴으로써 형성될 수 있다.
케이스는 케이스의 바닥면과의 접촉이 이루어지는 트레이의 최하측 트레이와 끼워맞춤 결합되는 부분을 바닥 모서리부에 포함할 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 복수의 적층된 셀로 구성된 배터리가 강성 부재로서 간주될 수 있도록, 배터리가 케이스와 뚜껑 부재 사이에 개재되고, 단부 표면 중 한 표면이 소정의 힘, 즉 라미네이트 필름에 발생되는 인장이 라미네이트 필름의 강도 및 라미네이트 필름의 접착 강도를 초과하지 않으면서 외부로부터의 진동이 가해질 시에 각각의 셀이 케이스 내에서 변위하지 않도록 하는 마찰력이 얻어질 수 있는 범위 내의 힘으로 가압되는 구조가 적용되며, 뚜겅 부재와 케이스 사이의 위치는 소정의 가압력이 얻어지는 위치에 고정된다. 따라서, 조립식 배터리의 배터리 팩 및 이러한 배터리의 고정 방법이 제공될 수 있으며, 이러한 방법은 간단한 구조 및 공정에 의해 부품 개수의 증가를 최소로 유지하면서 배터리 팩 내에 저장된 셀의 진동 억제 효과를 향상시킨다.
또한, 셀은 각각의 셀이 위치되는 트레이를 이용해 적층되고, 각각의 트레이 에는 케이스의 대향 내측 벽면과 접촉하는 접촉부가 제공되며, 접촉부는 얇은 판 스프링으로 형성되고 케이스의 내측 벽면과 가압 접촉하게 된다. 따라서, 진동에 의해 위치가 쉽게 변위하지 않는 배터리의 배터리 팩을 제공할 수 있다.
본 발명의 특성 및 다른 특징적인 특징부는 첨부도면을 참조하여 작성된 하기의 상세한 설명을 통해 보다 명확하게 이해될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예가 도면을 참조하여 후술된다. 먼저, 용어 "상부", "하부", "우측", "좌측" 및 유사한 용어는 도면의 설명을 참조하거나 본 발명의 일반적인 사용가능한 상태로 본 명세서에서 사용된다.
[제1 실시예]
이후, 본 발명의 실시예가 도1 내지 도5를 참조하여 설명된다.
도1은 도2에 도시된 조립식 배터리(1)의 배터리 팩의 전개 사시도로서, 절단된 배터리 팩의 케이스(2)의 일 측면을 따라서 취한 단면으로 도시되어 있으며, 케이스(2)의 커버(3)가 제거되어 있다.
본 발명에 따른 조립식 배터리(1)(이후, 단지 "배터리"로 칭해질 수 있음)의 배터리 팩은 z축 방향으로 적층된 복수의 편평한 형상의 셀(10)로 구성된 배터리(1)와; 배터리(1)를 수용하는 케이스(2)와; 부분(C)으로 나타내는 바와 같이 셀(10)의 양전극 단자(12a)와 음전극 단자(12b)를 직렬로(또는 병렬로) 연결함으로써 얻어진 배터리(1)의 일 전극 단자와 다른 전극 단자를 각각 연결하고, 이들을 케이스(2)의 외부로 이어지게 하는 배터리 단자(4a) 및 배터리 단자(4b)[부분(D)으 로 나타내짐]와; 케이스(2) 내부에 끼워 맞춰져 배터리(1)의 최상부 셀(10)의 표면을 가압하는 뚜껑 부재(5)로 구성된다.
각각의 부분 또는 부재의 상세한 구조는 후술된다.
도5는 리튬 배터리의 케이스 내의 각 셀(10)의 구조를 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 각각의 셀(10)은, 그의 외주연 에지부(B)가 상부 라미네이트 필름(14a) 및 하부 라미네이트 필름(14b)으로 구성된 시트형(sheet-like) 밀봉 수단에 의해 융착되어 결과적인 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 수평 축(x축) 방향에 대해 밀봉된 외주연 에지부(B)의 대향 단부로부터 인출된다.
상부 라미네이트 필름(14a) 및 하부 라미네이트 필름(14b) 각각은 도시되지 않은 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, 이들은 서술된 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 밀봉재(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 밀봉재(16)는 전극 단자(12)[양전극 단자(12a) 및 음전극 단자(12b)로 간주됨]에 대향하는 표면과 라미네이트 필름(14)[상부 라미네이트 필름(14a) 및 하부 라미네이트 필름(14b)으로 간주됨]에 대향하는 표면 사이에서 상이한 특성을 나타내는 다층 구조의 절연 수지 필름으로 형성되는 것이 바람직하다.
예컨대, 2층 구조를 갖는 절연 수지 필름의 경우, (a) 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, (b) 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, (a) 폴리에틸렌 층은, 산 변성 폴리에틸렌 층이 폴리에틸렌 층의 어느 한쪽 측에 배치된 상태로, 중간층에 배치되거나, (b) 폴리프로필렌 층은, 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 또는 고밀도 폴리에틸렌 층이고, 사용되는 폴리프로필렌은 예컨대, 단일 중합체계 폴리프로필렌이며, 사용되는 산 변성 폴리프로필렌은 예컨대, 랜덤 혼성 중합체계 폴리프로필렌인 것이 바람직하다.
셀(10)을 조립식 배터리(1)에 조립할 때, 셀(10)의 수 및 셀(10)의 연결 방법이 필요한 전기 커패시턴스 및 전압에 기초하여 미리 설정된다.
또한, 편평한 형상의 얇은 셀(10) 각각에 있어서, 전해질을 포함하는 발전기 소자(11)는 금속층 또는 합성 수지층과 같은 강화 재료가 개재된 통합 중합체계(integrated polymer-based) 밀봉재로 각각 구성된 라미네이트 필름(14a, 14b)에 의해 밀봉된다.
케이스(2)는 셀(10)이 사전설정 가압력(후술됨)으로 제 위치에 고정될 때 변형하지 않도록 소정의 기계적 강도를 제공하는 두께를 갖는 알루미늄과 같은 금속으로 통상 제조된다.
또한, 케이스(2)의 상부에는 케이스(2)의 상부로부터 뚜껑 부재(5)를 가압하여 케이스(2)에 대해서 뚜껑 부재(5)의 위치를 소정의 가압력이 달성되는 위치에 고정시키는 변형 부분(2a)(이후 자세히 설명됨)이 제공된다.
케이스 커버(3)는 얻어진 배터리 팩의 외측 덮개로서 기능한다. 밀봉 기능 및 양호한 외관을 제공하는 임의의 케이스 커버가 케이스 커버(3)로서 사용될 수 있다. 케이스 커버(3)가 수지 또는 알루미늄과 같은 재료로 제조되지만, 각 배터리 단자(4a, 4b)의 주연부는 수지와 같은 절연재로 절연된다.
다음으로, 뚜껑 부재(5)는 케이스(2)의 내경부에 끼워 맞춤되도록 사전 형성되고, 배터리(1)의 상면을 소정의 가압력으로 가압할 때 변형하지 않도록 충분한 기계적 강도를 갖는 알루미늄 판과 같은 금속 판으로 제조된다.
또한, 비록 자세한 설명은 생략되었지만, 양전극 단자(12a)와 음전극 단자(12b), 그리고 배터리 단자(4a)와 배터리 단자(4b)는 각각 알루미늄 또는 구리와 같은 높은 도전성 금속으로 소정 구조로 형성되고, 케이스(2)와 절연되면서 케이스(2)에 고정된다.
또한, 셀(10) 각각의 양전극 단자(12a)와 음전극 단자(12b) 사이의 연결부(C), 그리고 배터리 단자(4a)와 배터리(1)의 각 양전극 단자(12a) 사이 및 배터리 단자(4b)와 각 음전극 단자(12b) 사이의 연결부(D)는 예를 들면 용접에 의해 서로 융합된다.
다음으로, 도3 내지 도5를 참조하면, 전술된 바와 같이 구성된 조립식 배터리의 배터리 팩에 가압력의 설정에 대한 설명이 주어진다.
도3은 배터리(1)가 뚜껑 부재(5)와 케이스(2) 사이에 개재되었을 때 뚜껑 부재(5)가 가압되는 가압력과, 외주연 에지부(B)의 열-밀봉부 상의 응력 또는 라미네이트 필름(14a, 14b)의 인장 응력, 그리고 배터리(1)의 각 셀(10) 표면의 마찰력 사이의 관계를 도시한다.
셀(10)의 편평한 형상의 표면을 가압하는 가압력은 수평 축을 따라서 취해지고, 라미네이트 필름(14a, 14b))의 외주연부(B)의 열-밀봉부 상의 응력 또는 라미네이트 필름(14a, 14b)의 인장 응력은 수직 축을 따라서 취해진다. 이 때 가압력 과 인장력 사이의 관계는 실선으로 표시된다.
실선으로 표시된 바와 같이, 가압력과 응력 사이의 관계는 가압력이 증가됨에 따라 응력은 비례하여 증가하고; 가압력이 계속해 더욱 증가함에 따라, 응력의 증가율 감소하며, 가압력이 계속해서 더욱 가해짐으로써 파손이 일어난다.
또한, 셀(10)의 편평한 형상의 표면을 가압하는 가압력이 수평 축을 따라서 취해지고, 뚜껑 부재(5)와 셀(10) 사이, 인접한 셀(10) 사이, 및 셀(10)과 케이스(2)의 하면 사이의 각 접촉 표면에서의 마찰력이 수직 축을 따라서 취해지는 경우, 교호적인 길고 짧은 점선은 가압력과 마찰력 사이의 관계를 나타낸다.
교호적인 길고 짧은 점선으로 나타낸 바와 같이, 가압력과 응력은 비례 관계를 갖는다.
뚜껑 부재(5)에 의해 가해지는 가압력은 상한값(FH)과 하한값(FL)의 범위 내에서 설정된다. 하한값(FL)은 각각의 셀(10) 및 각각의 셀(10) 내의 각각의 요소가 외측으로부터의 예측되는 진동에 따른 위치로 변위되는 것을 방지하기 위한 마찰력을 제공할 수 있는 가압력을 나타낸다. 상한값(FH)은 각각의 셀(10)의 파손을 야기하지 않는 가압력으로서 설정된다.
일반적으로, 셀(10)의 편평한 형상의 표면에 힘이 가해짐에 따라, 라미네이트 필름(14a)과 라미네이트 필름(14b)에 의해 밀봉된 셀(10)의 내부 압력은 점차로 증가하고, 결국에는 셀(10)의 저강도 부분(low-strength portion)의 파손을 야기한다.
셀(10)의 저강도 부분은 추측상 라미네이트 필름(14a)과 라미네이트 필름(14b)[이후, 상부 및 하부 라미네이트 필름(14a, 14b)은 집합적으로 참조번호 14로 지시됨] 자체, 및 라미네이트 필름(14)의 외주연 에지부(B)의 열-밀봉부로 구성된다. 라미네이트 필름(14)은 그 내에 개재된 금속 층과 함께 일체형으로 형성되기 때문에, 라미네이트 필름(14)의 외주연 에지부(B)의 열-밀봉부는 강도가 낮으며, 낮은 강도를 갖는 열-밀봉부에서 박리 또는 파손이 발생하리라 예측된다.
따라서, 도3에 도시된 바와 같이, 가압력은 상한값(FH) 보다 크지 않도록 설정할 필요가 있다. 하한값(FL)에 대해서는, 셀(10) 내측의 각 요소의 진동 또는 위치 변위에 따른 배터리(1)의 각 셀(10)의 위치 변위를 야기하지 않는 가압력과 같거나 그보다 크도록 설정된다.
라미네이트 필름(14)의 열-밀봉부에 대한 접착 강도에 대해서는, 인장 및 압축에서 전단 응력을 결정하는 인장 시험 또는 균열 실험에 의해 사전에 결정된다.
또한, 하한값(FL)은 하기와 같이 결정된다. 예를 들면, 라미네이트 필름(14)의 마찰 계수가 μ이고, 조립식 배터리(1)의 질량이 W이며, 뚜껑 부재(5)에 의한 가압에 따른 법선 하중이 N이고, 배터리(1)의 편평한 형상의 표면과 평행한 평면에서의 최대 가속도가 GMAX일 때, N > W × GMAX/μ인 것이 요구된다.
사전 설정 가압력의 범위는 열-밀봉부에 대한 접착 강도로부터 결정 따라서 시험에 의해 결정되고, 앞서 예측되는 진동의 상한값에 의해 결정된다.
즉, 도3에 도시된 바와 같이, 하한값(FL)과 상한값(FH)은 예상되는 가속시에 요구되는 마찰력 및 라미네이트 필름(14)의 열-밀봉부에 대한 접착 강도로부터 각각 미리 결정된다.
다음으로, 도4a에 도시된 바와 같이 복수의 적층 셀(10)로 구성된 조립식 배터리(1)를 케이스(2)의 상측으로부터 삽입하는 동안 미리 결정된 가압력을 설정하는 방법의 설명이 이루어진다.
배터리 팩 내에 사전설정 가압력을 달성하기 위하여, 하기의 방법으로 조립이 실시된다.
우선, 뚜껑 부재(5)의 고정이 하기와 같이 실시된다. 금속 리브와 같은 변형부(2a)가 케이스(2)의 상부에 제공되고, 뚜껑 부재(5)는 케이스(2) 내로 가압 끼워맞춤된다. 그 후, 도4b에 도시된 바와 같이, 변형부(2a)는 가압 끼워맞춤력에 의해 소망의 가압력이 얻어진 위치에서 절곡되어 변형되며, 이 후 스폿 용접 등을 통해서 고정된다.
뚜껑 부재(5)에 의해 가해지는 압력은 뚜껑 부재(5)에 압력을 가하기 위한 가압 기구(도시되지 않음)의 측정값에 근거하거나, 또는 가압 끼워맞춤부의 사이즈를 측정함으로써 모니터링된다.
이러한 방법에 있어서, 가해질 가압력의 범위를 미리 결정하고 이러한 가압력 범위 내에서 뚜껑 부재(5)를 고정함으로써, 구성요소의 개수가 감소되며, 그에 따라 짧은 시간에 가압력을 설정할 수 있게 된다.
배터리(1)의 위치 변위를 방지하는 방법의 예는 점착성을 갖는 공지된 접착제를 미리 도포하거나 또는 셀(10)의 편평한 형상의 정면 및 배면에 양면 접착 테이프를 부착시키는 간단한 고정 방법을 포함하며, 콤포넌트 요소를 셀(10) 내의 제 위치에 고정시키기 위해 뚜껑 부재(5)에 의해 가압력을 가하는 방법을 적용하는 것이 바람직하다.
[제2 실시예]
이 후, 본 발명의 제2 실시예가 도6 내지 도8을 참조하여 설명된다. 도1 내지 도5에 도시된 제1 실시예의 부분과 동일한 제2 실시예의 각 부분은 동일한 참조번호로 표시하고 그들의 자세한 설명은 생략한다.
제1 실시예에 있어서 각각의 셀(10)은 그 자체로 적층되고 뚜껑 부재(5)에 의한 가압에 의해 제 위치에 고정되는 반면, 제2 실시예에 있어서는 셀(10)은 각각 트레이(1a) 상에 위치되고, 각각의 셀(10)이 트레이(1a) 상에 위치된 상태로 각각의 셀(10)은 적층되며, 셀의 라미네이트의 일 단부는 뚜껑 부재(5)에 의해 두께 방향으로 가압됨으로써 고정된다고 하는 점에서 제2 실시예는 제1 실시예와는 상이하다.
도6은 3개의 적층식 셀(10)로 구성된 조립식 배터리의 배터리 팩의 단면도이다. 셀(10)은 트레이(1a) 상에 각각 위치되며, 내측 벽면과 가압 접촉되는 케이스(2)의 내측 벽면과 대향된 접촉부에 의해 적층된다. 라미네이트의 일 단부에 위치한 상부는 뚜껑 부재(5)에 의해 가압되고, 그에 따라 변형부(2)를 절곡하고 뚜껑 부재(5)를 케이스(2)에 고정한다.
다음으로, 트레이(1a)의 구조가 자세히 설명된다. 도7a는 두께(tc)를 갖는 편평한 형상의 셀(10)의 사시도이다. 양전극 단자(12a)와 음전극 단자(12b)는 셀(10)의 양 단부로부터 z 축 방향으로 인출된다.
도7b는 도7a에 도시된 바와 같은 편평한 형상의 셀(10)이 배치되는 트레이(1a)의 외관 사시도이다. 트레이(1a)는 예를 들면 양호한 단자 도전성을 갖는 얇은 금속 판으로 제조된다.
트레이(1a)의 접촉부(B)는 하기와 같이 형성된다. 두께(tp)를 갖는 편평한 형상의 트레이(1a)의 양 단부는 복수의 위치에서 대향 L자형 형상부로 수직 절곡된다. 절곡된 L자형 형상부의 높이(h)는 각 접촉부(B)를 구성한다. 접촉부(B)의 개수에 대해서는, 예를 들면 폭(F1)을 갖는 하나의 절곡 접촉부(1a)가 2개의 대향 단부 중 하나의 중앙에 제공되고, 폭(F1)과 일치하는 폭을 갖는 2개의 접촉부(B)가 폭(F1)에 대응하는 거리만큼 서로 이격되도록 다른 단부에 제공된다.
또한, 각 접촉부(B)의 x-z 축 평면과 평행한 단부면(Sxz), 및 각 접촉부(B)의 y-z 축 평면과 평행한 단부면(Syz)은 이후 설명되는 바와 같이 끼워맞춤 결합을 위해서 각 트레이(1a)를 적층시키는데 필요한 소정의 정확도로 미리 기계가공된다.
접촉부(1a)의 구조가 적층시 용이하게 끼워맞춤 결합을 가능케 하기만 하면 접촉부(1a)의 개수 및 끼워맞춤 치수는 적절하게 선택될 수 있음을 알 수 있다.
도8의 (a) 내지 (c)는 전술된 바와 같이 구성된 트레이(1a)의 적층 방법을 도시한다. 도8의 (a) 및 (b)는 적층될 셀(10)의 극성이 상이한 방향으로 배치되는 상태를 도시하는 사시도이다. 예를 들면, 도8의 (a)에 도시된 셀(10)이 그 상에 배치된 상태로 트레이(1a)가 도8의 (b)에 도시된 셀(10) 상에 적층되며, 그와 동시에 접촉부(B)가 서로 끼워맞춤 결합된다.
도8의 (c)는 끼워맞춤 결합부의 단면도이다. 여기서, 트레이(1a)의 각 접촉부(B)의 절곡 높이 "h"는 하기의 관계식을 만족시키도록 미리 설정된다.
tp + ts < h < 2(tp + ts)
이러한 구성으로 인해, 트레이(1a)와 셀(10)의 적층시, 트레이(1a)의 접촉부(B)는 접촉부(B)가 제공되지 않은 케이스 내에서 일 층만큼 위에 위치된 트레이(1a)의 부분 내로 삽입된다. 따라서, y 축 방향에 대해서, 하부 트레이(1a)의 접촉부(B)와 상부 트레이(1a)의 접촉부(B)는 서로 접촉하며, 그에 따라 서로에 대해서 트레이(1a)의 이동을 방지한다. 또한, x 방향에 대해서, 하부 트레이(1a)의 접촉부(B)와 접촉부(B)가 제공되지 않은 상부 트레이(1a)의 부분의 단부는 서로 접촉하며, 그에 따라 서로에 대해서 트레이(1a)의 이동을 방지한다.
전술된 바와 같이 구성된 접촉부(B)가 구비된 트레이(1a)를 이용해 셀(10)을 적층시킴으로써, 배터리의 배터리 팩 외부로부터 진동이 가해진 경우에도, 수직하게 인접한 상부 및 하부 트레이(1a)의 접촉부는 서로 끼워맞춤 결합하게 되며, 그에 따라 트레이(1a)가 서로에 대해서 x 축 방향 및 y 축 방향으로 이동하지 않는다. 또한, 트레이(1a) 사이에 상대적인 변위가 없기 때문에, 트레이(1a) 상에 위치된 셀(10)의 이동을 억제할 수도 있다.
또한, 접촉부(B)가 제공되지 않은 최하측 트레이(1a)의 부분과 끼워맞춤 결합하는 돌출부를 케이스(2)의 바닥부에 제공함으로써, 트레이(1a)의 평면 내측 방 향(in-plane direction)으로 케이스(2)와 트레이(1a)의 상대적인 변위 또한 억제될 수 있다.
또한, 셀(10)을 각각의 트레이(1a) 상에 위치시킬 때, 셀(10)의 극성은 트레이(1a)의 접촉부(B)에 대해서 동일 방향이 되도록 배치된다.
이러한 구성으로 인해, 트레이(1a)를 그 상에 위치된 셀(10)과 적층시킬 때, 셀(10)의 극성이 서로 대향하도록 트레이(1a)가 배향되지 않는다면 수직하게 인접한 트레이(1a)의 접촉부(B)는 서로 끼워맞춤 결합되지 않을 수 있다. 따라서, 셀(10)은 셀(10) 전극의 극성이 교호적으로 되는 방식으로 항상 적층된다. 따라서, 트레이(1a)를 그 상에 위치된 셀(10)과 적층할 때, 셀(10)의 극성에 대해서 특별히 고려할 필요없이 셀(10)은 신뢰가능하게 직렬로 적층 연결될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2 실시예에 따른 셀(10)이 위치되는 트레이(1a) 각각에 끼워맞춤 결합부를 제공함으로써, 외부로부터의 진동에 의해서 위치가 쉽게 변하지 않으며 적층될 셀(10)의 조립시에 작업 에러를 방지할 수 있는 배터리의 배터리 팩을 제공할 수 있다.
[제3 실시예]
본 발명의 제3 실시예가 도9a 내지 도9d를 참조하여 설명된다. 도1 내지 도8에 도시된 제1 및 제2 실시예의 것과 동일한 제3 실시예에 따른 각각의 부분은 동일한 참조번호가 부여되고 이들의 자세한 설명은 생략된다.
도9a는 뚜껑 부재(5)를 제외시킨 배터리 팩을 위에서 본 평면도이고, 도9b는 도9a의 x-x 선을 따라서 취한 단면도이고, 도9c는 도9a의 y-y 선을 따라서 취한 단 면도이다.
예를 들면, 제3 실시예에 따른 트레이(1a)에는 y 축 방향에 대해서 케이스(2)의 대향 내측 벽면과 가압 접촉하는 8개의 접촉부(B)가 제공된다. 4개 접촉부(B) 2 세트는 y 축 상에서 서로 대향하는 방향으로 절곡된다.
예를 들면, 도 9a에 도시된 부분(E)의 확대도인 도9d에 도시된 바와 같이, 각 접촉부(B)의 말단 단부는 날카로운 나이프 에지와 같은 형상을 가지며 케이스(2)를 형성하는 금속보다 단단한 구리와 같은 재료로 형성된다.
케이스(2)는 예를 들면 트레이(1a)보다 연한 알루미늄으로 형성된다. 그 상에 위치된 셀(10)과 함께 트레이(1a)가 케이스(2)의 상측부로부터 삽입될 때, 그의 말단 단부가 가압 끼워맞춤을 위해 케이스(2)의 내벽 내로 관통하도록 접촉부가 적용된다.
전술된 바와 같은 트레이(1a)가 구비됨으로써, 배터리 팩의 외부로부터의 진동이 y 축상의 우측 방향 및 좌측 방향 중 어느 한 방향으로 가해지는 경우에도, 대향 관계로 제공된 접촉부 중 어느 하나의 말단 단부는 케이스(2)의 내측 벽면상에 걸어지며, 그에 따라 y 축 방향으로의 트레이(1a)의 운동을 억제한다. 또한, 접촉부(B)와 케이스가 y 축 방향으로 서로 접촉하기 때문에, y 축 방향으로의 트레이(1a)의 운동은 억제된다.
또한, 도9b에 도시된 바와 같이, 각 트레이(1a)의 편평한 부분은 예를 들면 미리 서서히 만곡된 볼록한 표면으로 형성되고, 셀(10)이 적층된 상태로, 결과적인 구조체는 상측으로부터 뚜껑(5)에 의해 가압되어 고정된다.
트레이(1a)의 편평한 부분을 만곡시킴으로써, 셀(10) 및 트레이(1a)의 만곡부는 배터리 팩의 외부로부터 전해지는 선형 진동에 대한 방해물로서 기능하며, 그에 따라 상대적인 변위를 방지한다.
상기 구성은 트레이(1a) 만곡의 원주방향으로 작용하는 진동에 대해 변위가 발생하지 않도록 하는 억제 효과(no displacement suppressing effect)를 제공하지만, 그러한 방향으로 진동이 거의 발생하지 않기 때문에, 즉 셀(10)과 트레이(1a) 사이의 변위를 방지하는 효과는 만족스럽다.
트레이(1a)의 편평한 부분의 만곡된 볼록한 표면의 곡률을 부분적으로 변화시킴으로써, 임의의 진동에 대해서 변위 억제 효과가 얻어질 수 있음을 알 수 있다. 곡률 변화는 타원의 호의 일부를 이용해 실현될 수 있다.
또한, 트레이(1a)는 셀(10)의 전극의 방향(x 축 방향)에 대해서 임의의 평면 내 방향으로 만곡될 수 있으며, 이러한 방향에 대해서 구조체를 적용시키기 어렵기 때문에, 도9c에 도시된 바와 같이 접촉부(B)가 장착되는 부분과 마찬가지로 트레이(1a)의 단부를 셀(10)이 위치하는 측쪽으로 절곡하고 절곡부와 셀(10)을 서로 접촉시킴으로써 변위가 방지되므로, 이러한 만곡 구성은 매우 유효하다.
접촉부(B) 그리고 전술된 바와 같은 오목부 및 볼록부를 갖는 트레이(1a)를 제공함으로써, 배터리 팩이 진동할 때 트레이(1a) 및 그 상에 위치된 셀(10)이 쉽게 변위하지 않는 배터리 팩을 제공할 수 있다.
본 발명은 전술된 실시예에 결코 한정되지 않는다. 즉, 강성 몸체로서 간주되기에 충분한 높은 기계적 강도를 갖도록 각각의 케이스 및 뚜껑 부재를 형성하 고, 케이스와 뚜껑 부재 사이에 배터리를 개재시키며, 이후 소정의 가압력을 가해 고정시키는 것을 포함하는 한 임의의 고정 방법이 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실현시, 첨부된 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 각종 변형이 이루어질 수 있다. 예를 들면, 셀의 편평한 형상의 표면과 접촉하는 표면에 접착 테이프를 제공하고 접착 테이프의 구성을 정교하게 조절함으로써 보다 최적화된 방법으로 각 셀(10) 내의 구성요소의 고정이 이루어질 수 있다.
또한, 트레이 및 접촉부(B)의 끼워맞춤 결합부의 구성은 배터리 및 케이스의 구성에 따라서 셀을 트레이상에 위치시킬 수 있으며 비교적 작은 위치 변위를 수반하는 각종 구성으로 변형될 수 있다.
본 발명에 따르면 배터리 팩 내에 저장된 셀에 대해서 위치 변위 방지 효과 및 진동 억제 효과를 향상시키고, 간단한 구조체 및 공정에 의해 부품 개수의 증가를 회피할 수 있다.

Claims (14)

  1. 조립식 배터리의 배터리 팩이며,
    라미네이트 필름에 의해 밀폐식으로 밀봉된 복수의 편평한 형상의 셀을 구비하는 조립식 배터리와,
    두께 방향으로 적층될 수 있게끔 셀을 수용하고, 적어도 그의 일 단부에 형성된 개구를 갖는 케이스와,
    케이스의 개구의 일 단부로부터 적층 방향으로 적층된 셀을 가압하는 뚜껑 부재와,
    소정의 가압력이 가해지는 위치에서 뚜껑 부재를 케이스에 고정시키는 고정 부재를 포함하는 조립식 배터리의 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서, 뚜껑 부재와 적층된 셀 중 최상측 셀의 표면 사이, 케이스의 바닥면과 적층된 셀 중 최하측 셀의 바닥면 사이, 및 셀의 표면 사이의 각 접촉면에 도포되는 접착제를 더 포함하는 조립식 배터리의 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서, 뚜껑 부재와 적층된 셀 중 최상측 셀의 표면 사이, 케이스의 바닥면과 적층된 셀 중 최하측 셀의 바닥면 사이, 및 셀의 표면 사이의 각 접촉면에 도포되는 양면 접착 테이프를 더 포함하는 조립식 배터리의 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서, 고정 부재는 케이스 및 뚜껑 부재 중 하나에 형성된 변형부를 포함하고, 변형부는 소정의 가압력이 가해지는 위치에서 뚜껑 부재와 케이스를 고정하도록 변형되는 조립식 배터리의 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서, 뚜껑 부재의 가압력은 라미네이트 필름에 발생되는 인장이 라미네이트 필름의 강도 및 라미네이트 필름의 접착 강도를 초과하지 않으면서 마찰력이 얻어질 수 있는 범위 내에서 설정되고, 마찰력은 조립식 배터리의 외부로부터 진동이 가해질 시에 각각의 셀이 케이스 내에서 변위하는 것을 방지하도록 작용하는 조립식 배터리의 배터리 팩.
  6. 두께 방향으로 적층되는 방식으로 적층된 필름에 의해 밀폐식으로 밀봉되는 복수의 셀, 셀을 수용하는 케이스, 및 적층 셀을 가압하는 뚜껑 부재를 갖는 배터리 팩용 조립식 배터리를 고정하는 방법이며,
    케이스와 뚜껑 부재에 의해 복수의 셀을 개재시키는 단계와,
    사전 설정된 가압력으로 뚜껑 부재를 가압하는 단계와,
    가압력의 설정 범위 내에서 뚜껑 부재와 케이스를 제 위치에 고정시키는 단계를 포함하며,
    가압력은 라미네이트 필름에 발생되는 인장이 라미네이트 필름의 강도 및 라미네이트 필름의 접착 강도를 초과하지 않으면서 마찰력이 얻어질 수 있는 범위 내에서 설정되고, 마찰력은 배터리의 외부로부터 진동이 가해질 시에 각각의 셀이 케 이스 내에서 변위하는 것을 방지하도록 작용하는 조립식 배터리를 고정하는 방법.
  7. 조립식 배터리의 배터리 팩이며,
    라미네이트 필름에 의해 밀폐식으로 밀봉된 복수의 편평한 형상의 셀을 구비하는 조립식 배터리와,
    각각의 셀이 각각 위치되는 복수의 트레이와,
    셀이 트레이 상에 위치되면서 두께 방향으로 적층되는 상태로 셀을 수용하고, 적어도 그의 일 단부에 형성된 개구를 갖는 케이스와,
    트레이 상에 위치되는 동안 케이스의 개구의 일 단부로부터 적층 방향으로 적층되는 셀을 가압하는 뚜껑 부재와,
    소정의 가압력이 가해지는 위치에서 뚜껑 부재를 케이스에 고정시키는 고정 부재를 포함하며,
    복수의 트레이는 케이스 내측에 끼워맞춤되는 조립식 배터리의 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서, 각각의 트레이는 적어도 각각의 셀에 대한 배치 위치를 안내하는 접촉부를 포함하고, 접촉부는 케이스의 대향 내측 벽면과 접촉하는 조립식 배터리의 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서, 각 트레이의 접촉부는 케이스의 내측 벽면과 선 접촉하는 복수의 얇은 판 스프링으로 형성되고, 접촉부는 케이스의 내측 벽면과 가압 접촉하 게 되는 조립식 배터리의 배터리 팩.
  10. 제8항에 있어서, 각 트레이의 접촉부는 케이스의 내측 벽면과 면 접촉하는 복수의 얇은 판 스프링으로 형성되고, 접촉부는 케이스의 내측 벽면과 가압 접촉하게 되는 조립식 배터리의 배터리 팩.
  11. 제8항에 있어서, 각 트레이의 접촉부는 셀의 적층 방향에 수직한 방향에 대해서 상이한 방향으로 굴곡되는 복수의 얇은 판 스프링을 포함하는 조립식 배터리의 배터리 팩.
  12. 제8항에 있어서, 각 트레이의 접촉부는 트레이가 서로 끼워맞춤 결합되는 끼워맞춤 결합부를 포함하는 조립식 배터리의 배터리 팩.
  13. 제7항에 있어서, 트레이는 셀이 적층되는 편평한 형상의 판을 만곡시킴으로써 형성되는 조립식 배터리의 배터리 팩.
  14. 제7항에 있어서, 케이스는 케이스의 바닥면과의 접촉이 이루어지는 트레이의 최하측 트레이와 끼워맞춤 결합되는 부분을 바닥 모서리부에 포함하는 조립식 배터리의 배터리 팩.
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