KR20120025097A - 고출력 대용량의 전지팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수의 단위셀들이 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있도록 전기적으로 연결되어 있는 전지팩에 있어서, 전극단자들이 단위셀의 양단에 각각 형성되어 있고, 전극단자들이 동일한 방향으로 배향되도록 측면으로 배열되어 있는 둘 이상의 단위셀들; 상기 단위셀들의 전극단자에 용접 방식으로 접속되는 도전성의 제 1 판상 접속부, 및 상기 제 1 판상 접속부의 외면에 결합되어 있고 전지셀과 제 1 판상 접속부의 용접을 위한 용접봉이 삽입될 수 있는 관통구가 형성되어 있는 제 2 판상 접속부로 이루어진 접속부재들; 및 상기 단위셀들과 접속부재의 외면을 감싸는 팩 케이스; 를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

고출력 대용량의 전지팩 {High-Output, Large-Capacity Battery Pack}
본 발명은 고출력 대용량의 전지팩으로서, 더욱 상게하게는, 단위셀들이 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있도록 전기적으로 연결되어 있는 전지팩에 있어서, 전극단자들이 단위셀의 양단에 형성되어 있고, 전극단자들이 동일한 방향으로 배향되도록 측면으로 배열되어 있는 둘 이상의 단위셀들; 상기 단위셀들의 전극단자에 용접 방식으로 접속되는 도전성의 제 1 판상 접속부, 및 상기 제 1 판상 접속부의 외면에 결합되어 있고 전지셀과 제 1 판상 접속부의 용접을 위한 용접봉이 삽입될 수 있는 관통구가 형성되어 있는 제 2 판상 접속부로 이루어진 접속부재들; 및 상기 단위셀들과 접속부재의 외면을 감싸는 팩 케이스;로 구성되는 전지팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.
이차전지는 그것이 사용되는 외부기기의 종류에 따라, 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 또는 다수의 단위전지들을 전기적으로 연결한 전지팩의 형태로 사용되기도 한다. 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 전지 1개의 출력과 용량으로 소정의 시간 동안 작동이 가능한 반면에, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD(portable DVD), 소형 PC, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 전지팩의 사용이 요구된다.
이러한 전지팩은 다수의 단위전지들을 직렬 및/또는 병렬로 배열하여 연결한 코어 팩에 보호회로 등을 접속함으로써 제조된다. 단위전지로서 각형 또는 파우치형 전지를 사용하는 경우에는 넓은 면들이 서로 대면하도록 적층한 후 전극단자들을 접속부재에 의해 연결하여 용이하게 제조할 수 있다. 따라서, 육면체 구조의 입체형 전지팩을 제조하는 경우에는 각형 또는 파우치형 전지가 단위전지로서 유리하다.
반면에, 원통형 전지는 일반적으로 각형 및 파우치형 전지보다 큰 전기용량을 가지지만, 원통형 전지의 외형적 특성상 적층구조로의 배열이 용이하지 않다. 그러나, 전지팩의 형상이 전체적으로 선형 또는 판상형 구조일 때 각형 또는 파우치형 보다 구조적으로 잇점이 있다.
구체적으로, 도 1에는 대용량 전지팩에서 원통형 전지셀의 병렬 방식 연결이 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 하나의 원통형 전지 캔과 접속부재의 두께를 나타내는 부분 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 원통형 전지들(10)은 동일 극의 전극단자들(15)이 동일한 방향으로 배향되어 있고, 긴 막대형의 접속부재들(20)이 동일 극의 전극단자들(15)과 용접 등의 방법으로 병렬 방식의 연결을 이루고 있다.
원통형 전지(10)의 캔 두께(t)는 약 0.2 mm로서, 이러한 원통형 전지들(10) 다수 개를 병렬 연결하기 위한 접속부재(20)는 50A 이상의 대전류가 통전되므로, 전기적, 구조적 연결 조건에 따라 약 3 mm의 두께(T)가 필요하다.
그러나, 이와 같이 원통형 전지 캔과 접속부재 간의 용접을 이룰 경우, 원통형 전지 캔의 두께와 접속부재의 두께 차가 커질수록 저항차가 발생하므로, 이 역시 저항 용접이 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 제조 공정성을 향상시키면서, 접촉저항을 최소화하는 고출력 대용량의 전지팩에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 신규한 구조의 접속부재를 사용함으로써, 제조 공정성을 향상시키고, 단위셀들을 전기적으로 안전하게 연결시킬 수 있는 전지팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은, 다수의 단위셀들이 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있도록 전기적으로 연결되어 있는 전지팩에 있어서,
전극단자들이 단위셀의 양단에 각각 형성되어 있고, 전극단자들이 동일한 방향으로 배향되도록 측면으로 배열되어 있는 둘 이상의 단위셀들;
상기 단위셀들의 전극단자에 용접 방식으로 접속되는 도전성의 제 1 판상 접속부, 및 상기 제 1 판상 접속부의 외면에 결합되어 있고 전지셀과 제 1 판상 접속부의 용접을 위한 용접봉이 삽입될 수 있는 관통구가 형성되어 있는 제 2 판상 접속부로 이루어진 접속부재들; 및
상기 단위셀들과 접속부재의 외면을 감싸는 팩 케이스;
를 포함하는 구조로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 접속부재는 상기와 같은 특정한 구조의 제 1 판상 접속부와 제 2 판상 접속부로 이루어져 있어서, 전극단자에 접속되는 도전성의 제 1 판상 접속부로 인해, 저항 용접이 용이하고 발열에 따른 전지팩의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 단위셀은 연속적인 충방전이 가능한 이차전지로서, 각형 전지셀, 원통형 전지셀 등 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 원통형 전지셀일 수 있다.
상기 단위셀들은 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있는 구조라면 단위셀들의 연결방식은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 병렬 방식, 또는 직렬 방식, 또는 병렬 및 직렬 방식으로 다양하게 연결하여 구성될 수 있으며, 여기서 단위셀들의 수는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 5 ~ 20 개일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 단위셀들은 병렬 방식으로 연결되어 있고, 동일한 극성의 전극단자들이 동일한 방향으로 배향되어 있으며, 한 쌍의 접속부재들이 양극과 음극에 각각 접속되어 있는 구조일 수 있다.
또 하나의 구체적인 예에서, 상기 단위셀들은 직렬 방식으로 연결되어 있고, 서로 다른 극성의 전극단자들이 교번 방식으로 배향되어 있으며, 접속부재들이 단위셀들의 직렬 연결부위에 각각 접속되어 있는 구조일 수도 있다.
또한, 상기 단위셀들은 병렬 방식 연결과 직렬 방식의 연결을 동시에 포함하고 있고, 둘 또는 그 이상의 단위셀들이 병렬 연결 단위로서 뱅크(bank)를 형성하며, 상기 뱅크들이 직렬 방식 연결을 위해 서로 다른 극성의 전극단자들이 교번 방식으로 배향되어 있고, 접속부재들이 단위셀들의 병렬 연결 부위와 뱅크들의 직렬 연결부위에 접속되어 있는 구조일 수도 있다.
상기 구조에서, 뱅크에서의 단위셀들의 병렬 방식 연결과 인접 뱅크와의 직렬 방식 연결은 바람직하게는 하나의 접속 부재에 의해 달성될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 접속부재에 의해 다양한 연결 방식의 고출력 대용량의 전지팩을 구성할 수 있으므로 매우 바람직하다.
상기 접속부재는 니켈, 구리, 납, 니켈-알루미늄 합금 등 다양한 소재일 수 있으며, 구체적으로 제 2 판상 접속부는 다수의 단위셀들을 연결하기 위해서 저항이 낮은 소재로 이루어진 것이 바람직하므로, 예를 들어, 구리 소재로 이루어진 것일 수 있다.
상기 제 2 판상 접속부와 연결되면서 상기 단위셀의 전극단자에 접속되는 제 1 판상 접속부 역시 다양한 금속 소재로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는, 니켈 소재일 수 있다.
일반적으로 접속부재가 단위셀 케이스와 유사한 두께일 경우, 단위셀과 접속부재 간의 저항용접이 용이하다. 그러나 다수개의 단위셀들이 연결되는 전지팩을 구성할 경우, 재료의 단면적 및 저항에 의한 발열로 인해 단선될 가능성이 매우 높으므로, 상대적으로 두께가 두꺼운 접속부재가 필요하다.
이에 따라, 상기 전극단자에 접속되는 제 1 판상 접속부의 두께는 제 2 판상 접속부의 두께의 5 내지 50% 크기로 형성함으로써, 전극단자와의 용접을 용이하게 수행할 수 있다.
상기 제 2 판상 접속부의 두께는 바람직하게는 약 0.5 ~ 20 mm로서, 통전되는 접속부재의 단면적을 증가시켜 내부 저항과 발열을 효과적으로 낮출 수 있다.
즉, 전극단자와 접속되는 제 1 판상 접속부는 단위셀의 케이스 두께와 유사한 것이 바람직하며, 0.1 ~ 0.5 mm의 두께인 것이 더욱 바람직하다. 따라서, 접촉 저항을 최소화하면서 전지팩의 단위셀들을 용이하게 연결할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 제 1 판상 접속부와 제 2 판상 접속부의 결합 방식은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 크림 솔더, 초음파 용접, 또는 레이저 용접에 의해 달성될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 판상 접속부와 제 2 판상 접속부의 결합은 크림 솔더에 의해 달성되고, 상기 크림 솔더의 달성을 위해 제 1 판상 접속부와 제 2 판상 접속부 사이에는 솔더 페이스트가 개재될 수 있으며, 상기 솔더 페이스트에는 제 2 판상 접속부의 관통구에 대응하는 위치에 개구가 형성되어 도포될 수 있다. 따라서, 제조 공정이 간단하여 자동화 공정이 용이하므로 매우 바람직하다.
한편, 상기 접속부재와 전극단자의 결합은 저항 용접, 레이저 용접 또는 초음파 용접 등 다양한 방식으로 결합될 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 제 2 판상 접속부의 일측 단부에는 외부 디바이스에 대한 접속을 위한 입출력 단자가 형성되어 있을 수 있다.
상기 구조에서, 입출력 단자는 제 2 판상 접속부의 단부가 최외측 단위셀의 방향으로 절곡되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 보다 콤팩트한 전지팩을 이룰 수 있다.
상기 팩 케이스는 바람직하게는 절연성의 플라스틱 소재 또는 알루미늄 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다. 상기 플라스틱 소재의 종류는 특별히 제한이 없으며, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리카보네이트 수지, ABS 수지, 고무 수지, 아라미드 계의 노맥스(nomax) 등 다양할 수 있다. 금속 소재로 이루어진 경우에는, 바람직하게는 내면이 절연성 코팅으로 도포될 수도 있다.
본 발명에 따른 전지팩은 소망하는 출력 및 용량에 따라 장착 효율성, 구조적 안정성 등을 고려할 때, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 동력원으로 바람직하게 사용될 수 있다.
특히, 상기 구조의 전지팩은 전체적인 크기가 콤팩트하므로 에너지 저장 시스템 또는 통신사 중계기에 탑재되어 비상시 전원을 공급하는 UPS(Uninterruptible Power Supply)로 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 제 1 판상 접속부와 제 2 판상 접속부로 이루어진 한 쌍의 접속부재가 단위셀들의 전극단자를 감싸고 있으므로, 전지팩의 제조 공정성을 향상시키면서 용접을 용이하게 수행함으로써 전지팩의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 단위셀들과 접속부재의 모식도 및 분해도이다;
도 2는 도 1의 단위셀 및 접속부재의 부분 단면도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀들과 접속부재의 모식도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위셀들과 접속부재의 모식도이다;
도 5는 도 4의 분해도이다;
도 6은 도 3의 접속부재의 분해도이다;
도 7은 도 3 의 접속부재의 전면 및 후면의 모식도이다;
도 8은 도 3의 단위셀 및 접속부재의 부분 단면도이다;
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 분해도이다;
도 10은 도 9의 전지팩이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위셀들과 한 쌍의 접속부재의 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 10개의 원통형 전지셀(100)들의 동일 극의 전극단자(110)들이 동일한 방향으로 배향되어 있고, 도전성의 접속부재(200)가 원통형 전지셀(100)들의 전극단자(110)에 저항 용접 방식으로 접속되어 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있도록 병렬 방식으로 연결되어 있다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위셀들과 접속부재의 모식도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 분해도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 2개의 원통형 전지셀들(100)이 병렬 연결 단위로서 뱅크(150)를 형성하고 있다. 이러한 3개의 뱅크들(150)은, 직렬 방식 연결을 위해, 서로 다른 극성의 전극단자들(110, 120)이 교번 방식으로 배향됨으로써, 6개의 원통형 전지셀들(100)은 병렬 방식 연결과 직렬 방식의 연결을 동시에 포함하고 있다.
또한, 하나의 접속부재(200')가 원통형 전지셀들(100)의 병렬 연결 부위와 인접한 뱅크들의 직렬 연결부위에 접속되어 있다.
도 6에는 도 3의 접속부재의 분해도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 7에는 도 3 의 접속부재의 전면 및 후면의 모식도가 도시되어 있으며, 도 8에는 도 3의 단위셀 및 접속부재의 부분 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 3과 함께 참조하면, 접속부재(200)는 원통형 전지셀(100)들의 전극단자(110)에 용접 방식으로 접속되는 도전성의 제 1 판상 접속부(210), 및 제 1 판상 접속부(210)의 외면에 결합되어 있고 전지셀(100)과 제 1 판상 접속부(210)의 용접을 위한 용접봉(500)이 삽입될 수 있는 관통구(225)가 형성되어 있는 제 2 판상 접속부(220)로 이루어져 있다.
제 1 판상 접속부(210)는 니켈 플레이트로서, 원통형 전지셀(100)의 케이스 두께(t)와 유사한 0.2mm의 두께(t)로 이루어져 있어서 접촉 저항을 최소화할 수 있다.
제 2 판상 접속부(220)는 저항이 낮은 구리 소재로 이루어져 있어서, 다수의 원통형 전지셀(100)들을 연결하기 용이하고, 2mm의 두께(T')로 이루어져 있어서, 통전되는 접속부재(200)의 단면적을 증가시켜 발열을 효과적으로 낮출 수 있다.
이러한 제 1 판상 접속부(210)와 제 2 판상 접속부(220)의 사이에는 크림 솔더의 달성을 위해 솔더 페이스트(510)가 개재되고, 솔더 페이스트(230)에는 제 2 판상 접속부(220)의 관통구에 대응하는 위치에 개구(235)가 형성되어 도포될 수 있다.
참고로, 도 4의 접속부재와 같이 원통형 전지셀의 개수에 따라 그 길이를 다양하게 변화될 수 있으며, 도 4의 접속부재는 그것의 기본적인 구성이 도 3과 동일하므로, 그에 관한 기타 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 9에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지팩의 분해도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 10에는 도 9의 전지팩이 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 도 7과 함께 참조하면, 전지팩(400)은 원통형 전지셀(100, 101)들과 접속부재(200)의 외면을 감싸는 절연성의 플라스틱 소재의 팩 케이스(300)로 이루어져 있으며, 필요에 따라 상부 케이스(300a)와 하부 케이스(b)로 구성될 수도 있다.
제 2 판상 접속부(220)의 일측 단부에는 외부 디바이스(도시하지 않음)에 대한 접속을 위한 입출력 단자(240)가 형성되어 있고, 입출력 단자(240)는 제 2 판상 접속부(220)의 단부가 최외측 단위셀(101)의 방향으로 절곡되어 있는 구조로 이루어져 있어서, 보다 콤팩트한 전지팩을 이룰 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 다수의 단위셀들이 고출력 대용량의 전기를 제공할 수 있도록 전기적으로 연결되어 있는 전지팩에 있어서,
    전극단자들이 단위셀의 양단에 각각 형성되어 있고, 전극단자들이 동일한 방향으로 배향되도록 측면으로 배열되어 있는 둘 이상의 단위셀들;
    상기 단위셀들의 전극단자에 용접 방식으로 접속되는 도전성의 제 1 판상 접속부, 및 상기 제 1 판상 접속부의 외면에 결합되어 있고 전지셀과 제 1 판상 접속부의 용접을 위한 용접봉이 삽입될 수 있는 관통구가 형성되어 있는 제 2 판상 접속부로 이루어진 접속부재들; 및
    상기 단위셀들과 접속부재의 외면을 감싸는 팩 케이스;
    를 포함하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀은 원통형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 병렬 방식, 또는 직렬 방식, 또는 병렬 및 직렬 방식으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 병렬 방식으로 연결되어 있고, 동일한 극성의 전극단자들이 동일한 방향으로 배향되어 있으며, 한 쌍의 접속부재들이 양극과 음극에 각각 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단위셀들은 직렬 방식으로 연결되어 있고, 서로 다른 극성의 전극단자들이 교번 방식으로 배향되어 있으며, 접속부재들이 단위셀들의 직렬 연결부위에 각각 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 단위셀들은 병렬 방식 연결과 직렬 방식의 연결을 동시에 포함하고 있고, 둘 또는 그 이상의 단위셀들이 병렬 연결 단위로서 뱅크를 형성하며, 상기 뱅크들이 직렬 방식 연결을 위해 서로 다른 극성의 전극단자들이 교번 방식으로 배향되어 있고, 접속부재들이 단위셀들의 병렬 연결 부위와 뱅크들의 직렬 연결부위에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 뱅크에서의 단위셀들의 병렬 방식 연결과 인접 뱅크와의 직렬 방식 연결은 하나의 접속 부재에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 판상 접속부는 구리 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 판상 접속부는 니켈 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 판상 접속부의 두께는 제 2 판상 접속부의 두께의 5 내지 50% 크기인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 판상 접속부의 두께는 약 0.5 ~ 20 mm인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 판상 접속부는 단위셀의 케이스 두께와 유사한 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서 상기 제 1 판상 접속부의 두께는 약 0.1 ~ 0.5 mm인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 판상 접속부와 제 2 판상 접속부의 결합은 크림 솔더, 초음파 용접, 또는 레이저 용접에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 판상 접속부와 제 2 판상 접속부의 결합은 크림 솔더에 의해 달성되고, 상기 크림 솔더의 달성을 위해 제 1 판상 접속부와 제 2 판상 접속부 사이에는 솔더 페이스트가 개재되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 솔더 페이스트에는 제 2 판상 접속부의 관통구에 대응하는 위치에 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재와 전극단자의 결합은 저항 용접, 레이저 용접 또는 초음파 용접에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 판상 접속부의 일측 단부에는 외부 디바이스에 대한 접속을 위한 입출력 단자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 입출력 단자는 제 2 판상 접속부의 단부가 최외측 단위셀의 방향으로 절곡되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 팩 케이스는 절연성의 플라스틱 소재 또는 금속 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거, 에너지 저장 시스템 또는 UPS(Uninterruptible Power Supply)로 사용되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
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