KR101938510B1 - 배터리 팩 보호를 위한 상호연결 - Google Patents

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리텔퓨즈 인코퍼레이티드
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Abstract

각각이 포지티브 전극(25, 27), 네거티브 전극(29, 31), 및 에지(43)를 갖는 제1 배터리 셀(21) 및 제2 배터리 셀(23)이 제1 및 제2 배터리 셀의 포지티브 전극이 인접하도록 정렬된, 배터리 팩(32)을 보호하는 방법. 제1 및 제2 배터리 셀의 에지 상에 위치하도록 구성된 전기적 도전성 버스바(47)는 제1 배터리 셀의 포지티브 전극을 제1 보호 디바이스에, 제2 배터리 셀의 포지티브 전극을 제2 보호 디바이스에, 제1 보호 디바이스를 제2 보호 디바이스에, 제1 배터리 셀의 네거티브 전극을 제2 배터리 셀의 네거티브 전극에 전기적으로 연결한다. 또한, 배터리 팩 보호 조립체가 제공된다.

Description

배터리 팩 보호를 위한 상호연결
관련 출원에 대한 상호참조
이 출원은 개시 내용이 본원에 참고로 포함되는 2015년 2월 27일에 출원된 미국 가 출원번호 62/126,441에 대한 우선권을 주장한다.
이 발명은 배터리 팩 보호를 위한 상호연결에 관한 것이다.
노트북 또는 랩탑 컴퓨터 또는 태블렛과 같은 전자 장비는 랩탑 컴퓨터, 태블렛, 및 이외 다른 전자 디바이스에 적절한 에너지를 제공하는 수단으로서 서로 연결된, 다수의 배터리 셀, 또는 다수의 셀을 내포하는 배터리 팩을 종종 포함한다. 리튬-이온 및 리튬-폴리머 배터리(총칭하여 "리튬-배터리")는 이들의 높은 에너지 밀도, 소형 폼팩터, 및 설계 유연성으로 인해 종종 사용된다. 그러나 리튬-배터리 팩은 외부 단락, 과도한 충전 상태, 및/또는 잠재적으로 손상을 입힐 과전류 및 과온도 상태를 초래할 수 있는 폭발적 과충전에 의해 야기되는 결함에 민감하다. 열을 야기할 수 있는 과충전, 심방전, 또는 단락 회로 상태는 리튬-배터리 셀을 부풀게 하거나, 파열되게 하거나, 또는 이외 다른 문제가 유발되게 할 수 있다. 따라서, 개별적으로든 아니면 팩으로서 연결되었든, 셀은, 예를 들어, 과전류 및/또는 과온도 상황의 경우에 손상을 방지하는데 도움을 주기 위해 전류를 차단하는 열 컷오프(TCO) 디바이스 또는 이외 다른 유형의 과전류 및 과온도 디바이스에 의해 보호되어야 하는 것이 필요하다.
포지티브 온도 계수(PTC) 디바이스 및 TCO와 같은 보호 디바이스는, 적절한 보호를 가능하게 하는 임의의 방식으로, 예를 들면, 직렬로, 병렬로, 또는 이들의 조합으로, 배터리 셀 또는 팩에 연결될 수 있다. 그러나, 전기 디바이스 내의 배터리 배열은 전자 장비가 더 작아지고 얇아짐에 따라 특별한 문제가 되는 공간과 같은 제약을 받는다. 또한, 연결 및 조립이 용이해야 한다. 배터리를 배열하는 종래의 방법은 한쌍의 배터리 셀 중 제1 배터리의 포지티브 전극을 이 한쌍의 제2 배터리 내 네거티브 전극과 정렬시키고, 보호 디바이스(들)에 그리고 하나의 포지티브 전극으로부터 제2 포지티브 전극에, 그리고 하나의 네거티브 전극으로부터 제2 네거티브 전극에 와이어에 의해 연결하는 것이다. 이러한 와이어는 회로 내 다양한 구성요소에 납땜 또는 용접되어야 하며, 설치는 배선 배열을 무질서하게 하거나 및/또는 혼란스럽게 할 수 있다. 복잡한 배열은 높은 전력 손실, 높은 저항, 및 높은 전압 강하를 갖게 될 긴 길이를 가진 도전성 경로를 가질 수 있다. 또한, 이들 모두는 전자 장비를 과열되게 할 수 있다. 또한, 배열은 장비 내에 귀중한 공간을 차지하여, 종종 보호 디바이스 및 배선을 수용하기 위해 디바이스 크기를 커지게 한다. 따라서, 적절한 보호를 제공하면서 배열을 단순화하는 것이 바람직하다.
제1 측면에서, (a) 각각이 (i) 포지티브 전극, (ii) 네거티브 전극, 및 (iii) 에지를 갖는, 제1 및 제2 배터리 셀들을 제공하는 단계;
(b) 제1 보호 디바이스 및 제2 보호 디바이스를 제공하는 단계;
(c) 쌍을 형성하기 위해 제1 및 제2 배터리 셀들의 포지티브 전극들을 정렬하는 단계;
(d) 제1 및 제2 배터리 셀들의 에지 상에 위치되도록 구성된 전기적 도전성 버스바를 제공하는 단계;
(e) 제1 보호 디바이스에 제1 배터리 셀의 포지티브 전극을, 제2 보호 디바이스에 제2 배터리 셀의 포지티브 전극을, 제2 보호 디바이스에 제1 보호 디바이스를 버스바에 의해 전기적으로 연결하는 단계를 포함하는, 배터리 팩을 보호하는 방법이 제공된다.
또한, (a) 각각이 (i) 포지티브 전극, (ii) 네거티브 전극, 및 (iii) 에지를 각각 갖는 제1 및 제2 배터리 셀들로서, 제1 및 제2 배터리 셀들의 포지티브 전극들은 쌍을 형성하기 위해 서로 정렬된, 제1 및 제2 배터리 셀들;
(b) 제1 보호 디바이스 및 제2 보호 디바이스; 및
(c) 제1 및 제2 배터리 셀들의 에지 상에 위치되고, 제1 보호 디바이스에 제1 배터리 셀의 포지티브 전극을, 제2 보호 디바이스에 제2 배터리 셀의 포지티브 전극을, 제2 보호 디바이스에 제1 보호 디바이스를, 그리고 제2 배터리 셀의 네거티브 전극 셀에 제1 배터리 셀의 네거티브 전극을 전기적으로 연결하는, 전기적 도전성 버스바를 포함하는, 배터리 팩 보호 조립체가 제공된다.
도 1은 종래의 배터리 팩 보호 디바이스의 개략적인 회로도이다.
도 2는 본 개시물의 배터리 팩 보호 디바이스의 개략적인 회로도이다.
도 3은 본 개시물의 한쌍의 배터리 셀의 분해 사시도이다.
도 4는 본 개시물의 배터리 팩 보호 디바이스의 사시도이다.
도 5는 도 4의 배터리 팩 보호 디바이스의 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 섹션의 상세도이다.
도 7은 본 개시물의 배터리 팩 보호 배열의 밑으로부터 분해 사시도이다.
도 8은 본 개시물의 배터리 팩 보호 배열의 단면도이다.
종래의 배터리 팩 보호 배열의 개략적인 회로도가 도 1에 도시되었다. 회로(1)는 각 제1 셀(5)의 포지티브 전극(단자라고도 함)(9)이 제2 셀(7)의 네거티브 전극(11)으로부터 바로 맞은편에(또는 제1 및 제2 셀이 함께 샌드위치되었을 땐 그에 인접하여) 정렬되게 위치된 3개의 제1 배터리 셀(5) 및 3개의 제2 배터리 셀(7)을 보여주고 있다. 열 컷오프 디바이스(13)는 각각의 포지티브 전극(9)에 전기적으로 연결되고, 버스바(15) 또는 이외 다른 전기적 연결에 의해 각각의 제1 셀(5)의 포지티브 전극으로부터 각 제2 셀(7)의 포지티브 전극으로 전기적 연결이 이루어진다. 제1 셀(5) 및 제2 셀(7)로부터의 네거티브 전극 전극(11)은 또한 버스바(17) 또는 이외 다른 전기 수단에 의해 연결되고, 한쌍의 제1 및 제2 배터리 셀의 네거티브 전극으로부터 제1 및 제2 배터리 셀의 제2 부분의 포지티브 전극으로 전기적 연결이 이루어진다. 이러한 연결은 종종 와이어를 사용하여 이루어진다. 관련 배터리 셀에 연결하기 위해, 상대적으로 긴 길이의 와이어가 필요할 수 있어, 복잡하고 무질서하게 할 수 있는 상호연결을 제공한다. 이것은 긴 제조 조립 시간을 초래할 수 있다. 상호연결 와이어가 서로 교차하는 경우, 와이어 간에 전기적 접촉 가능성이 있고, 이는 바람직하지 않으며 전기적 단락을 야기할 수 있다. 결과적으로, 접촉을 방지하기 위해 전기 절연이 사용될 수도 있어, 배열 비용 및 복잡성을 증가시킨다.
도 2는 본 개시물의 배터리 팩 보호 배열(20)의 개략적인 회로도이다. 이 실시예에서, 3개의 제1 배터리 셀(21, 21A, 21B)은 각각 포지티브 전극(25) 및 네거티브 전극(29)을 갖는다. 3개의 제2 배터리 셀(23, 23A, 23B)은 각각 포지티브 전극(27) 및 네거티브 전극(31)을 갖는다. 제1 배터리 셀(21)과 제2 배터리 셀(23)의 각각의 조합은 배터리 팩으로도 알려진 쌍(32)을 형성한다. 이 실시예에서 열 컷오프 디바이스(TCO)로서 도시된 제1 보호 디바이스(33)는 연결(37)에 의해 제1 배터리 셀의 포지티브 전극(25)에 전기적으로 연결되고, 제2 보호 디바이스(35)는 연결(39)에 의해 제2 배터리 셀의 포지티브 전극 27)에 전기적으로 연결된다. 제1 및 제2 보호 디바이스는 연결(41)를 통해 전기적으로 연결된다.
도 3의 개략적인 분해도에서 더 상세히 도시된 바와 같이, 포지티브 전극(25) 및 네거티브 전극(29)은 제1 배터리 셀(21)의 에지(43) 상에 위치되고, 포지티브 전극(27) 및 네거티브 전극(31)은 제2 배터리 셀(23)의 에지(45) 상에 위치된다. 극성의 정렬이 존재하도록 제1 및 제2 배터리 셀이 위치되는 것이 중요한데, 각각의 포지티브 전극은 정렬되는 것으로, 즉 도 2의 개략도에 도시된 바와 같이 서로로부터 맞은편에 위치된다. 도 3의 선(P)은 포지티브 단자(25, 27)의 이러한 정렬을 나타내며, 선(N)은 네거티브 단자(29, 31)의 정렬을 나타낸다. 이러한 정렬은 본 개시물의 단순화된 상호연결 수법을 가능하게 하는 데 중요하다.
도 4 및 도 5는 버스바(47)를 통해 연결된 3개의 배터리 팩(23, 23A, 23B)을 갖는 배터리 팩 보호 배열을 각각의 사시도 및 분해 사시도로 도시한 것이다. 금속층(49) 및 절연 캐리어 스트립(51)은 하나로 되었을 때 서브-조립체로서 사용될 수 있는 버스바(47)를 형성하기 위해 결합한다. 일 실시예에서, 임의의 적합한 금속일 수 있을지라도, 금속층(49)은 구리이다. 도 5에 도시된 실시예에서, 4개의 금속 스트립은 금속층(49)을 형성한다. 일부 응용에 있어서, 금속 스트립 상에 절연층을 제공하여 예를 들어 용접에 의해 전기 연결을 형성하는데 사용하기 위해 노출된 금속 영역을 남기는 것이 바람직하다. 절연 캐리어 스트립(51)은 임의의 적합한 전기적 절연 (유전체) 재료로 만들어지며, 전기 절연을 제공하는 것 외에도 금속층(49)에 대한 보강재로서 작용할 수 있다. 제조를 용이하게 하기 위해, 캐리어 스트립(51)은 플라스틱인 것이 바람직하다. 보강재 요소(53)는, 용접을 위한 적절한 위치에 접근할 수 있게 하는 노치(55), 및 금속층(49) 상의 정렬된 구멍(59)을 통해 돌출하여 설치 중에 요소들을 제위치에 유지하는 역할을 할 수 있는 포스트(57)인, 캐리어 스트립(51)의 부분이다.
이 실시예에서 3개의 배터리 팩이 도시되어 있지만, 전자 장비에 전력을 공급하기 위해 필요할 때 임의의 수의 팩이 있을 수 있다.
도 6은 도 5의 섹션의 상세도를 도시한다. 보호 디바이스(35A)는, 예를 들면 용접 또는 땜납 또는 다른 적절한 수단에 의해, 제1 금속 단자(61)를 통해 포지티브 단자(27A)에, 그리고 버스바(47)에 부착되도록 작용하는 부착 요소(65)에 제2 금속 단자(63)에 의해 전기적으로 부착된다. 보호 디바이스(33A)가 포지티브 전극(25A) 및 부착 포스트(65')에 연결되어 유사한 연결이 배터리 팩의 반대측에도 이루어진다.
도 7은 버스바(47) 및 3개의 배터리 팩(32)의 밑으로부터의 분해도를 도시한다. 부착 포스트(65)에 전기적 연결이 될 수 있게 노치(55)를 통해 접근이 제공됨을 볼 수 있다.
도 8은 조립된 보호 디바이스(20)의 단면도이다.
개시된 배터리 팩 보호 방법은 각각 포지티브 전극 및 네거티브 전극을 갖는 제1 및 제2 배터리 셀을 제공하는 단계를 포함한다. 또한, 제1 및 제2 보호 디바이스가 제공된다. 제1 및 제2 배터리 셀의 포지티브 전극은 쌍을 형성하도록 정렬되고, 전기적 도전성 버스바는, 제1 보호 디바이스에 제1 배터리 셀의 포지티브 전극, 제2 보호 디바이스에 제2 배터리 셀의 포지티브 전극, 제2 보호 디바이스에 제1 보호 디바이스, 및 제2 배터리 셀의 네거티브 전극에 제1 배터리 셀의 네거티브 전극의 전기적 연결이 존재하도록 위치된다. 전기적 연결은 용접, 납땜, 도전성 접착제의 사용, 기계적 부착(예를 들면, 스테이플 또는 리벳을 통한), 또는 임의의 이외 다른 적합한 수단에 의해 이루어질 수 있다.
보호 디바이스는 열 컷오프 디바이스, 예를 들어, 바이메탈 요소를 포함하는 디바이스일 수 있다. 대안적으로, 이는 양 온도 계수 저항(PTC) 디바이스일 수 있다. 보호 디바이스는 리셋가능한 것이 특히 바람직하다. 적합한 디바이스는 Tyco Electronics 사에서 판매하는 MHP-TA 디바이스이며, 이는 폴리머 PTC 구성요소 및 바이메탈 요소를 모두 갖고 있다.
간단한 상호연결 바에 의해 병렬 및 직렬 배열로 다수의 배터리 셀을 전기적으로 보호할 수 있는 상호연결 배터리 보호 레이아웃이 개시된다. 배터리 상호연결 보호 레이아웃은 디자인의 단순성을 실현하기 위해 한 셀에 포지티브 전극을 또 다른 배터리 셀에 포지티브 전극과 정렬하여 배열된 다수 쌍의 배터리 셀 레이아웃을 갖는다. 도 2 및 도 5를 다시 참조하면, 일 실시예에서, 6개의 배터리 팩에 사용하기 위해, 배터리 보호 상호연결, 즉, 버스바는 하나의 절연체 스트립에 부착된 노출된 연결 영역을 갖는 4개의 절연된 도전성 금속 스트립으로 구성될 수도 있을 것이다. 제1 금속 스트립은 배터리(21, 23)의 네거티브 전극에 연결된다. 제2 금속 스트립은 배터리(21, 23)의 포지티브 전극 측으로부터 배터리(21A, 23A)의 네거티브 전극 측으로 2개의 회로 보호 디바이스에 연결된다. 제3 금속 스트립은 제2 금속 스트립과 동일하다. 마지막으로, 제4 금속 스트립은 2개의 회로 보호 디바이스 및 포지티브 전극에 연결된다. 상호연결 배터리 보호 레이아웃은 병렬/직렬 연결을 갖는 다수의 배터리 셀 및 회로 보호 디바이스에 대한 간단한 설계를 허용할 것이다.
본 발명의 전술한 상세한 설명은 또는 본 발명의 특정 부분 또는 측면에주로 또는 전적으로 관련된 구절을 포함한다. 이것은 명확성 및 편리를 위한 것이고 특정한 특징은 단지 개시된 것 이상에 관련될 수 있으며, 본원의 개시 내용은 상이한 구절에서 발견된 모든 정보의 적절한 조합을 포함한다는 것을 이해해야 한다. 유사하게, 여러 도면 및 이의 설명이 본 발명의 특정 실시예와 관련되어 있지만, 특정한 특징이 특정한 도면의 맥락으로 개시되는 경우, 이러한 특징은 또한 다른 특징과 결합하여, 또는 일반적으로 발명에서, 또 다른 도면의 맥락에서, 적절하게 확장하기 위해 사용될 수 있음을 이해해야한다.
한 장치의 배열 및 이로부터 방법은 단지 원리의 응용을 예시일 뿐이고 이 발명 및 많은 다른 실시예 및 수정은 청구항에 정의된 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (11)

  1. 배터리 팩 보호 방법에 있어서,
    (a) 각각이 (i) 포지티브 전극, (ii) 네거티브 전극, 및 (iii) 에지를 갖는, 제1 및 제2 배터리 셀들을 제공하는 단계;
    (b) 제1 보호 디바이스 및 제2 보호 디바이스를 제공하는 단계;
    (c) 쌍을 형성하기 위해 상기 제1 및 제2 배터리 셀들의 상기 포지티브 전극들을 정렬하는 단계;
    (d) 상기 제1 및 제2 배터리 셀들의 상기 에지 상에 위치되도록 구성된 전기적 도전성 버스바를 제공하는 단계; 및
    (e) 상기 제1 보호 디바이스에 상기 제1 배터리 셀의 상기 포지티브 전극을, 상기 제2 보호 디바이스에 상기 제2 배터리 셀의 상기 포지티브 전극을, 상기 제2 보호 디바이스에 상기 제1 보호 디바이스를, 그리고 상기 제2 배터리 셀의 상기 네거티브 전극 셀에 상기 제1 배터리 셀의 상기 네거티브 전극을, 상기 버스바에 의해, 전기적으로 연결하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 배터리 셀들은 리튬 배터리들 또는 리튬 폴리머 배터리들인, 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 보호 디바이스 중 적어도 하나는 열 컷오프 디바이스이고, 상기 열 컷오프 디바이스는 바이메탈 구성요소인, 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 및 제2 보호 디바이스들 중 적어도 하나는 포지티브 온도 계수(PTC) 디바이스이고, 상기 제1 및 제2 보호 디바이스들은 PTC 디바이스들인, 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 버스바는 구리이며, 상기 버스바는 상기 버스바에 부착된 절연 캐리어 스트립을 더 포함하는, 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 다수 쌍들의 제1 및 제2 배터리 셀들을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 배터리 팩 보호 조립체에 있어서,
    (a) 각각이 (i) 포지티브 전극, (ii) 네거티브 전극, 및 (iii) 에지를 각각 갖는 제1 및 제2 배터리 셀들로서, 상기 제1 및 제2 배터리 셀들의 상기 포지티브 전극들은 쌍을 형성하기 위해 서로 정렬된, 제1 및 제2 배터리 셀들;
    (b) 제1 보호 디바이스 및 제2 보호 디바이스; 및
    (c) 상기 제1 및 제2 배터리 셀들의 상기 에지 상에 위치되고, 상기 제1 보호 디바이스에 상기 제1 배터리 셀의 상기 포지티브 전극을, 상기 제2 보호 디바이스에 상기 제2 배터리 셀의 상기 포지티브 전극을, 상기 제2 보호 디바이스에 상기 제1 보호 디바이스를, 그리고 상기 제2 배터리 셀의 상기 네거티브 전극 셀에 상기 제1 배터리 셀의 상기 네거티브 전극을 전기적으로 연결하는, 전기적 도전성 버스바를 포함하는, 배터리 팩 보호 조립체.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 버스바에 의해 연결된 다수 쌍들의 제1 및 제2 배터리 셀들을 포함하는, 배터리 팩 보호 조립체.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 제1 및 제2 보호 디바이스들 중 적어도 하나는 열 컷오프 디바이스이고, 상기 제1 및 제2 보호 디바이스들 모두가 열 컷오프 디바이스들인, 배터리 팩 보호 조립체.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 제1 및 제2 보호 디바이스들 중 적어도 하나는 포지티브 온도 계수(PTC) 디바이스이고, 상기 제1 및 제2 보호 디바이스들은 PTC 디바이스들인, 배터리 팩 보호 조립체.
  11. 청구항 7에 있어서, 상기 버스바는 구리이며, 상기 버스바는 상기 버스바에 부착된 절연 캐리어 스트립을 더 포함하는, 배터리 팩 보호 조립체.
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