KR20190025064A - 배터리 팩과 배터리 팩을 조립하는 방법 - Google Patents

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Abstract

간단한 작업으로 제조될 수 있고, 배터리 팩(10)의 조립 및 작동 중에 충분히 열을 발산하며, 연결 구조들(14)과 배터리 셀들(11)의 연결 접점들(33, 34) 사이에 신뢰할 수 있는 전기적 연결을 달성하고, 개별 배터리 셀(1!)의 고장에 대처할 수 있는 배터리 팩으로서, 적어도 두 개의 배터리 셀들(11)을 포함하되, 각 배터리 셀(11)은 양극 및 음극의 전기 연결 접점(33, 34)을 포함하고, 하나의 연결 구조(14)가 상기 배터리 셀들(11)의 적어도 상기 양극 연결 접점들(33) 또는 음극 연결 접점들(34)과 대응되며, 각 배터리 셀(11)은 적어도 하나의 연결 엘리먼트(15, 51)에 의해 상기 연결 구조(14)에 연결되고, 상기 각 연결 엘리먼트(15, 51)의 단면은 배터리 셀(11)의 기설정된 최대 전류에 맞추어져 있으며, 상기 연결 엘리먼트(15, 51)는 상기 연결 구조(14)에 있어서 상기 배터리 셀들(11)을 향하여 바라보는 측에 고정된다. 각 연결 구조(14)는 각 연결된 배터리 셀(11)의 개별 전류들의 합에 해당하는 전류에 견딜 수 있는 강도를 갖는다.

Description

배터리 팩과 배터리 팩을 조립하는 방법{Battery Pack and Method for Assembling a Battery Pack}
본 발명은 배터리 셀들을 수용하기 위한 장치(이하서 '배터리 팩'이라고 칭함) 및 배터리 팩을 조립하거나 제작하는 방법에 관한 것이다.
배터리 팩은 다양한 전기 동력 기기들, 특히 전기 자동차, 전기 구동 자전거, 배터리 전동 공구, 휴대용 컴퓨터와 전화기 등에서 사용된다. 일반적으로는 재충전될 수 있는 충전식 셀들이 그러한 배터리 팩에 사용된다. 최근에는 리튬계 충전식 셀들이 사용된다. 충전식 배터리들은 처음 방전된 이후 재충전이 가능하다는 점에서 다르다. 하지만, 이것은, 예컨대 배터리 관리 시스템에 제공되는 회로로서, 충전 및 방전 과정을 모니터링 하기 위한 적절한 회로를 필요로 한다. 배터리 팩 내에서 개별 셀들을 연결할 때, 배터리 팩의 연결 구조들과 배터리 셀의 전기 접점들 사이의 신뢰성 있는 전기적 연결이 필수적이다. 이러한 연결은 작동 중에, 즉 작동 중의 기계적, 열적, 전기적 스트레스 하에서는 물론, 해당 전기 장치의 수명 동안에 신뢰성 있게 작동되어야 한다.
더욱이, 매우 큰 전류는 충전 및 방전 중에 배터리 팩의 연결 영역에서 발생하며 특히 수백 개의 배터리 셀을 갖는 대형 배터리 팩에서 더욱 그러하다. 큰 전류가 흐르면 많은 열이 발생하게 되는데, 그 열로 인해 배터리 셀, 특히 리튬 이온 셀들은 가스화되어 분출되거나 심지어 폭발할 수도 있기 때문에, 열이 배터리 셀들로 전달되는 것을 방지할 필요가 있다. 따라서, 종래에는 배터리 팩의 조립 및 충전과 방전 과정에서 셀에 대한 그러한 열 영향을 방지하기 위해 다양한 기술이 사용되었다. 예를 들어, 충전 및 방전 과정 중 열이 누적되는 것을 피하기 위해, 냉각이 추가되어 사용된다. 그러나 충분히 통기성을 확보하여 개별 배터리 셀들을 배치함으로써, 배터리 팩 내에서 허용치를 초과하는 열의 발생이 일어나지 않도록 하는 것 또한 알려졌다. 그러나 조립 공정 중에, 특히 연결 공정 중에 열 영향은 반드시 고려되어야 한다.
셀들의 개별 전기 단자들을 배터리 팩의 연결 구조들에 연결하기 위해 종종 스폿 용접 또는 솔더링이 수행된다. 이것은 개별 전지들에 매우 높은 국부적 열 입력을 야기하지만, 신뢰성 있는 전기 연결을 위해 필요하다. 배터리 팩의 설계의 또 다른 측면은, 배터리 팩 내에 있을 수 있는 수백 개의 배터리 셀들 중에서, 개별적인 배터리 셀들이 셀 내의 비 균질성으로 인해 배터리 팩의 작동 중에 고장을 일으킬 수 있다는 것이다. 그러한 고장은 종종 내부 저항의 감소로 인해 일어나고, 이는 결과적으로 배터리 팩의 연결 구조로 전류가 증가하는 결과로 이어진다. 이러한 전류 흐름의 증가로 인해 해당 셀 및 인접 셀들에서 의도하지 않은 열의 축적이 초래될 수 있으며, 이로 인해 연쇄 반응이 일어나 전체 배터리 팩이 통제불능 상태로 가스화되어 분출하거나 폭발할 수 있다. 이러한 영향을 방지하기 위해, 제조가 간단하면서 위에 상술한 문제점 중 하나 이상을 설계상으로 예방할 수 있는 배터리 팩이 요구된다.
본 발명의 목적은 제조가 간단하고 배터리의 조립 및 작동 중에 충분한 열 발산을 가능하게 하며, 배터리 셀들의 연결 구조와 연결 접점들 사이에 신뢰성 있는 전기 연결을 제공하고, 개별 배터리 셀의 고장에 대처할 수 있는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적은 독립항들의 특징들에 의해 달성된다.
본 발명은, 배터리 팩 내에서 배터리 셀들의 전기 접점들에 대해 적절한 전기적 연결 및 연결 구조를 제공하여, 충전 중에 충전 전류의 균일한 분배를 달성하고, 방전 중에는 많은 개개의 배터리 셀들의 높은 전류 흐름을 연결 영역으로 신뢰성 있게 전달할 수 있도록 한다는 아이디어에 기반을 둔다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 셀들의 전기 접점들과 연결 구조 사이의 연결은, 단일 배터리 셀의 결함 또는 고장 및 고장으로 인해 극히 높은 전류가 발생할 때, 개개 배터리 셀들의 신뢰성 있는 분리를 보장한다.
위에 언급한 목적을 위한 하나의 해결책에 따르면, 배터리 팩은: 적어도 2개의 배터리 셀을 포함하며, 각각의 배터리 셀은 양의 전기 연결 접점과 음의 전기 연결 접점을 포함하고, 연결 구조가 배터리 셀들의 적어도 양의 연결 접점 또는 음의 연결 접점과 연결되되 각각의 배터리 셀은 적어도 하나의 연결 엘리먼트에 의해 상기 연결 구조에 연결되고, 각 연결 엘리먼트의 단면은 배터리 셀의 미리 결정된 최대 전류에 맞추어져 있다.
바람직하게는, 연결 엘리먼트는 배터리 셀들을 향하는 연결 구조의 일 측에 고정된다.
각 연결 구조는 연결된 각 배터리 셀의 개별 전류의 합에 해당하는 전류를 견딜 수 있는 강도를 갖는다.
바람직하게는, 제1 연결 구조는 배터리 셀들의 양의 연결 접점들과 연결될 수 있고, 제2 연결 구조는 배터리 셀들의 음의 연결 접점들과 연결될 수 있으며, 연결 엘리먼트들은 연결 구조 중 배터리 셀들을 향해 바라보는 쪽에 각각 고정된다.
바람직하게는, 배터리 팩은 적어도 2개의 배터리 셀을 수용하기 위한 적어도 하나의 지지 구조를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 지지 구조는 연결 구조를 향해 있으며 연결 개구들이 형성된 하나의 면을 가질 수 있다.
바람직하게는, 조립된 상태에서 연결 구조는 지지 구조의 상기 면 위에 놓일 수도 있으며, 연결 엘리먼트들은 연결 개구를 통과할 수 있다.
바람직하게는, 제1 지지 구조는 양의 전기 연결 접점 측에 배치될 수 있고, 제2 지지 구조는 음의 전기 연결 접점 측에 배치될 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 고정장치가 제1 지지 구조와 제2 지지 구조 사이의 미리 정해진 곳에 배치되어 그 지지 구조들 및 삽입된 배터리 셀들을 함께 지지할 수 있다. 고정장치는 다수 개 포함될 수도 있다.
택일 또는 추가적으로, 하나 또는 그 이상의 추가 고정장치가 두 개의 연결 구조 및 배터리 셀들을 수용하는 지지 구조들을 함께 지지하기 위해 포함될 수도 있다.
바람직하게는, 고정장치는 전기적으로 비 전도성 물질로 만들어지거나 전기 절연 재료로 감싸여 있을 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 해결책에 따르면, 배터리 팩을 제조하는 방법은: 적어도 두 개의 배터리 셀을 하나의 지지 구조 안으로 삽입하는 단계와, 연결 구조의 제1 측 상에서 배터리 셀 당 하나의 연결 엘리먼트를 상기 연결 구조에 연결하는 단계, 상기 연결 엘리먼트가 고정된 상기 제1 측이 상기 배터리 셀들을 향하도록 상기 연결 엘리먼트가 고정된 상기 연결 구조를 상기 지지 구조상에 배치하는 단계, 상기 연결 구조에 연결된 상기 연결 엘리먼트들을 상기 배터리 셀의 전기 연결 접점들에 연결하는 단계를 포함한다.
조립된 상태에서 배터리 셀들을 향하게 되는 연결 구조의 상기 일 측 상에 연결 엘리먼트들을 연결함으로써, 즉 연결 엘리먼트들을 조립한 후에 연결 구조를 뒤집음으로써, 연결 패드들은 지지 구조들 또는 배터리 셀들을 향하게 된다. 여기에는 두 가지 중요한 장점이 있다. 한편으로는 연결 패드가 외부로부터, 특히 기계적인 영향이나 손상을 피할 수 있게 되어 보호될 수 있다. 그리고 다른 한편으로는 연결 접점까지의 거리가 연결 구조의 재료 두께만큼 감소하기 때문에, 연결 엘리먼트는 심하게 구부러질 필요가 없다. 또한, 이것은, 연결 엘리먼트에 대한 재료 응력이 작게 발생하기 때문에 연결 구조와 연결 접점 모두에서 용접 접합에 긍정적인 효과를 준다. 게다가, 덜 구부러진 연결 엘리먼트들 덕분에 결합/용접 동안에 그 취급이 좋아진다.
상기 목적을 달성하기 위한 하나의 해결책에 따르면, 배터리 팩은 적어도 2개의 배터리 셀을 포함한다. 각 배터리 셀에는 양극의 전기 연결 접점과 음극의 전기 연결 접점을 포함한다. 제1 연결 구조가 배터리 셀들의 양의 연결 접점들에 대해 할당되고, 제2 연결 구조가 음의 연결 접점들에 할당된다.
배터리 팩 내의 배터리 셀들은 충전 중에 배터리 관리 시스템 또는 충전기에 의해 제어되는 전류를 받고, 방전 중에 부하에 의해 결정되는 고전류를 출력하기 때문에, 각 연결 구조는 배터리 팩의 그 연결된 배터리 셀들의 개별 전류들의 합에 해당하는 전류 용량을 갖는다.
제1 연결 구조와 상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀들의 각 양극 연결 접점들 사이와 제2 연결 구조와 상기 배터리 팩에 포함된 배터리 셀들의 각 음극 연결 접점들 사이의 전기적 연결은 각각 하나의 연결 엘리먼트에 의해 이루어진다. 따라서, 각 배터리 셀의 연결 접점들 각각은 적어도 하나의 연결 엘리먼트와 연결되고, 각 연결 엘리먼트는 해당 연결 구조와 연결된다. 즉, 연결 구조의 전류 용량은 상기 각 연결 엘리먼트들의 전류 용량보다 훨씬 크다.
본 발명에 따르면, 배터리 셀의 전기적 연결 접점과 연결 구조 사이의 전기적 연결을 제공하는 연결 엘리먼트의 단면은 단일 배터리 셀의 미리 정해진 최대 전류에 맞추어져 있다. 이로써, 특히 배터리 셀의 낮은 내부 저항으로 인한 고장 시에 발생할 수 있는 높은 전류 상태에서, 연결 엘리먼트가 녹아내려 해당 배터리 셀이 배터리 팩으로부터 분리되기 때문에, 방전 중에는 최대의 미리 정해진 전류 또는 허용 전류만이 배터리 셀로 흐르는 것이 보장된다. 한편, 정해진 단면을 갖는 연결 엘리먼트들은 충전 과정 동안 전류 제한 요소로서 작용하며, 그래서 제한된 전류만이 배터리 셀에 흐르게 된다. 이에 따라, 배터리 셀들로 흐르는 전류의 균일한 분배 또는 전류의 보상이 달성된다. 이는 전류 공급원에 더 가까이 위치한 배터리 셀이 연결 영역에서 더 멀리 떨어져 있는 배터리 셀보다 빠르게 충전되거나 더 높은 전류를 받는 것을 방지한다.
바람직하게는, 배터리 팩 내에 위치한 배터리 셀들은 병렬로 연결된다. 즉, 배터리 셀들의 양극 연결 접점들 또는 음극 연결 접점들은 각각 하나의 연결 구조와 연결된다. 결과적으로, 양극 연결 접점들과 음극 연결 접점들 각각은 일 측, 예를 들어 배터리 팩의 상부 또는 하부 측에 위치하며, 충전 또는 방전 전류는 양극 연결 접점들에 대한 제1 연결 구조와, 그리고, 음극 연결 접점들에 대한 제2 연결 구조를 통해서 각각 공급되거나 또는 방출될 수 있다.
다른 실시예에서, 적어도 2개의 배터리 셀을 수용하기 위한 적어도 하나의 지지 구조가 포함된다. 이러한 지지 구조에 의해, 배터리 셀들이 물리적으로 고정된다. 배터리 셀들은 지지 구조를 통해서 기계적으로 고정되므로, 연결 엘리먼트 또는 연결 구조에 작용하는 기계적인 힘은 가능한 한 낮게 유지되거나 기계적인 응력을 받지 않는다.
특정 실시예에서, 배터리 셀들은 제1 단부 측에 양극 연결 접점 및 반대 단부 측에 음극 연결 접점을 가지는 원형 셀들로 구성된다. 그러나 본 발명은 이러한 원형 셀에 한정되지는 않는다. 복수의 원형 셀들로 구성되는 파우치 셀들뿐만 아니라 플랫 셀(flat cell)들도 사용될 수 있는데, 여기서 각각의 경우에 사용되는 배터리 셀들의 전기 연결 접점들은 배터리 팩의 동일 측에 배치될 수 있다. 그러나 그렇게 되면, 연결 구조들은 다르게 배열된다. 서로 전기적으로 분리된 다수의 연결 구조가 배터리 팩의 한쪽에 배치될 필요가 있다.
또 다른 특정 실시예에서, 배터리 셀들의 반대 측 단부들에 제1 지지 구조 및 제2 지지 구조가 각각 배치되어, 배터리 셀들의 반대 측 단부들 각각은 대응하는 양극 연결 접점 및 음극 연결 접점을 가지며 상기 2개의 지지 구조에 수용된다. 이러한 목적을 위해서, 지지 구조는 바람직하게는, 배터리 팩 내에 각 배터리 셀의 외형의 적어도 일부를 수용하도록 형성된 수용 개구들을 갖는다. 이러한 수용 개구을 통해, 배터리 셀은 조립 과정 중에 지지 구조에 수용되어 충분히 견고하게 고정되며, 그 이후 위치가 변경되지 않는다. 그래서, 연결 엘리먼트들과 연결 구조들을 고정하는 동안에, 양극 및 음극 연결 접점들의 위치는 변경되지 않는다. 연결 구조의 구조로 인해, 수용 개구들 사이의 거리를 결정하여 개별 배터리 셀들 사이의 거리를 정할 수 있으며, 이로 인해 배터리 팩의 개별 배터리 셀들 사이에 충분한 환기가 가능하게 된다. 제1 및 제2 지지 구조들의 수용 개구들 각각은 미리 정해진 깊이를 가지기 때문에, 각각의 배터리 셀들을 충분히 안전하게 삽입할 수 있다. 수용 개구들은 배터리 셀들이 밖으로 빠져나오지 않도록 만들어진다. 그래서, 수용 개구에 의해 클램핑 연결이 달성된다.
또한, 각각의 지지 구조는 몇몇 연결 개구들을 포함하며, 배터리 셀의 연결 접점들에 대한 접근은 연결 개구들을 거치거나 또는 그를 통해서 이루어진다. 여기서, 각각의 연결 개구는 지지 구조의 하나의 수용 개구에 할당된다. 즉, 연결 엘리먼트는 연결 개구를 거친 후 수용 개구를 통하여, 배터리 셀들의 전기 연결 접점들로 통한다. 이를 위해, 각각의 연결 개구는 대응하는 수용 개구와 연결된다. 그래서, 연결 개구와 수용 개구 사이는 관통 홀로 이어져 있다. 배터리 셀들이 수용 개구로부터 연결 개구를 향해 떨어지거나 빠지는 것을 방지하기 위해, 연결 개구는 수용 개구보다 작다.
또한, 동시에, 외부로 더 작게 뚫려 있는 연결 개구에 의해 배터리 셀의 전기적 연결부 또는 연결 측 사이드가 기계적으로 보호되는데, 이는 배터리 셀의 단부 측의 일부가 수용 개구의 적어도 하나의 돌출부 또는 테두리에 의해 덮이기 때문이다. 따라서, 셀의 전기적 연결 또는 절연층에 대한 기계적인 손상이 방지될 수 있다. 수용 개구 내의 테두리 또는 돌출부의 두께를 통해 수용 개구와 연결 개구 사이의 거리가 조절될 수 있다. 이 둘 사이의 거리가 커질수록, 개별 배터리 셀의 전기적 연결 접점은 기계적 및 열적으로 더 확실하게 보호될 수 있다.
상기에 언급한 바와 같이, 각각의 지지 구조는 수용 개구들 및 연결 개구들을 포함한다. 연결 개구들은 지지 구조의 연결 측 사이드에 배치되고, 수용 개구들은 지지 구조의 수용 측 사이드에 배치된다. 수용 개구들을 가지는 수용 측 사이드는 배터리 셀을 수용하는 역할을 하고, 연결 측 사이드는 외부로부터 배터리 셀의 전기적 연결 접점에 대한 전기적 엑세스를 위해 제공된다. 즉, 배터리 팩 내에 각 연결 구조들의 연결 측 사이드들이 바깥쪽으로 향하게 된다. 그리고 지지 구조들의 수용 측 사이드들은 배터리 팩에 대하여 안쪽을 향하게 된다. 즉, 하나의 지지 구조를 고려할 때, 수용 측 사이드와 연결 측 사이드가 서로 반대 측에 위치하며, 지지 구조의 상부 및 바닥을 형성한다. 여기서, 수용 개구들은 배터리 셀들을 구조적으로 지지하기 위해 지지 구조의 수용 측 사이드에 위치하게 된다.
지지 구조들의 연결 측 사이드들은 각각 연결 구조들로 덮여있다. 따라서, 제1 및 제2 연결 구조들은 각각 제1 및 제2 지지 구조의 연결 측 사이드에 배치되고, 배터리 셀들은 제1 지지 구조 및 제2 지지 구조 사이에 배치된다.
충전 전류를 공급하거나 방전 전류를 내보내기 위해, 각각의 연결 구조는 배터리 팩 연결 영역을 포함한다. 배터리 팩 연결 영역은 연결 구조의 외주면 또는 외주 모서리에 배치되고, 바람직하게는 그로부터 또는 배터리 팩의 외형 치수를 넘어서 더 돌출된다. 배터리 팩 연결 영역은 충전기 또는 전력이 필요한 장치에 연결된다. 다수의 배터리 팩들을 상호 연결할 때, 복수의 배터리 팩의 배터리 연결 영역들을 연결하는데 사용된다.
각각의 연결 구조를 통한 균일한 전류의 흐름을 보장하기 위해, 배터리 팩 연결 영역은 배터리 팩에 대해 대각선적으로 반대로 배치된다. 즉, 양극 측의 배터리 팩 연결 영역은, 예를 들어 왼쪽 상단에 배치되지만, 음극 측의 배터리 팩 연결 영역은 배터리 팩의 오른쪽 하단에 배치된다. 결과적으로, 배터리 팩에 포함된 모든 배터리 셀을 통한 안정된 전류 흐름이 이루어지며, 불균일한 전류 분배로 인한 개별 배터리 셀의 국부적인 과열을 방지한다.
연결 구조들은 전기 전도성 재료로 만들어지고 평탄하게 형성된다. 바람직하게는, 연결 구조들은 각각의 지지 구조를 완전히 또는 거의 완전하게 덮는다. 연결 구조의 평면적인 구조로 인해, 연결된 모든 배터리 셀들에 균일한 전류 분배가 가능하다. 최대 전류 전달 능력은 연결 구조의 단면과 각각의 표면적, 즉 전류의 전달에 필요한 체적에 의해 결정된다. 이러한 배터리 팩에는 100개 이상의 배터리 셀이 배열되어 각 배터리 셀은 일시적으로 고전류를 제공할 수 있기 때문에, 각각의 연결 구조는 개별 배터리 셀의 개별 전류의 합에 해당하는 충분히 높은 전류 용량을 제공해야 한다. 즉, 최대 경우에, 100A 이상의 전류가 충전 과정 중에, 그리고, 특히 방전 과정 중에 연결 구조를 통해 흐른다. 바람직하게는, 상기 연결 구조는 금속으로 이루어진다. 이를 위해서는, 구리를 사용하는 것이 적절하다. 그러나 다른 도전성 재료로 연결 구조를 형성하는 것도 가능하다. 연결 구조로부터 배터리 셀의 전기적 연결 접점으로 연결되는 연결 엘리먼트는 니켈 또는 알루미늄과 같은 제2의 다른 금속으로 만들어진다. 이를 위해, 힐루민 스트립(Hilumin strip)을 사용하는 것이 적절하다. 그러나 연결 엘리먼트에 다른 도전성 재료를 사용하는 것도 가능하다.
연결 구조는 접촉 개구들을 갖는다. 여기서, 각각의 접촉 개구는 지지 구조의 연결 개구로 통한다. 바람직하게는, 각각의 접촉 개구는 해당 연결 개구들에 대응되는데, 접촉 개구는 지지 구조의 대응 연결 개구보다 크거나 작을 수도 있다. 그래서, 접촉 개구를 통해 지지 구조의 각 연결 개구와 그 아래에 위치한 각각의 배터리 셀의 전기적 연결 접점이 노출된다. 따라서, 연결 구조는 연결 개구를 통해 수용 개구 내로 유입된 연결 엘리먼트에 의해 배터리 셀의 전기적 연결 접점과 접촉될 수 있다. 연결 개구는 임의의 형상을 가질 수 있고, 바람직하게는 접촉 개구와 같이 실질적으로 둥글게 형성된다.
바람직하게는 스트립 모양으로 형성된 연결 엘리먼트들은 연결 구조에서 접합에 의해 고정되고 그에 대응하는 접촉 개구로 각각 돌출된다. 연결 구조와 연결 엘리먼트 사이의 충분한 기계적 및 전기적 연결이 이루어지기 때문에, 특히 유리한 접합 방법으로서, 연결 엘리먼트의 각각의 연결 구조에 대해 마찰 용접 또는 초음파 용접이 성공적이었다. 마찰 용접 중에 열의 축적은 스폿 용접 또는 솔더링보다 훨씬 적다. 또한, 더 두꺼운 재료로 에너지를 흡수하기 때문에, 더 두꺼운 재료와 더 얇은 재료를 연결할 때 스폿 용접 방법으로는 신뢰할 수 있는 기계적 및 전기적 연결을 이루기가 어렵다. 그러나 마찰 용접에서는, 접합될 재료의 각 표면에 광범위한 연결이 형성된다. 여기서, 접합될 2개의 표면은 압력을 받으면서 상대 이동되어, 재료의 가열 및 가소화가 일어난다. 그런 다음 접합할 표면에 높은 압력을 가하며, 상이한 재료 두께 및 상이한 재료로도 신뢰할 수 있는 기계적 및 전기적 연결이 이루어질 수 있다.
더욱이, 개별 배터리 셀들을 갖는 배터리 팩을 조립하기 전에, 각각의 연결 엘리먼트가 연결된 연결 구조를 제조하여 마련하는 것이 유리하다. 각각의 지지 구조상에 배치된, 각 접촉 개구로 돌출된 연결 엘리먼트가 연결 구조에 고정된 후에, 각각의 배터리 셀의 양극 연결 접점 및 음극 연결 접점 사이에 전기적 연결이 이루어질 수 있다. 이를 위해, 배터리 셀의 전기적 연결 접점과 연결 엘리먼트의 신뢰할 수 있는 전기적 연결을 보장하도록 스폿 용접 또는 솔더링도 가능하다.
연결 엘리먼트는 최대 충전 전류 또는 방전 전류보다 큰 전류에서 녹는 단면을 가지며, 이에 의해 연결 구조와 연결 엘리먼트 사이의 연결이 차단되고, 따라서 전류의 추가 흐름이 방지된다. 또한, 고장 시 셀이 과도하게 가열되어, 그에 대응하는 연쇄 반응의 경우, 배터리 팩 전체가 작동 불능이 되어 위험한 상황이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
단열을 위해서, 예컨대, 테프론으로 만들어진 단열층이 연결 구조와 지지 구조 사이에 추가로 배치될 수 있다. 바람직하게는, 단열층은 연결 구조와 같은 치수들 및 개구들로 형성된다.
연결 엘리먼트의 단면으로 인해, 배터리 팩이 충전되는 동안 배터리 팩 내에 연결된 개별 배터리 셀에 대해 균일한 전류 분배가 이루어질 수 있다. 배터리 팩을 충전할 때, 종래 기술에서처럼 배터리 팩의 연결 영역에 더 가까운 배터리 셀을 더 강하게 충전하게 되어 과도하게 가열되어 통제할 수 없는 반응을 초래하지 않도록, 배터리 팩의 모든 배터리 셀들을 균일하게, 즉, 동일한 전류로 충전할 필요가 있다. 본 발명에 따른 배터리 팩의 구조로 인해, 특히 연결 구조 및 그에 부착된 연결 엘리먼트로 인해, 충전 전류는 배터리 팩 연결 영역으로부터 배터리 팩의 모든 배터리 셀에 고르게 분배된다. 연결 엘리먼트 단면의 적절한 선택 또는 축소에 의해, 배터리 셀로 흐르는 전류량 또는 배터리 셀로부터 방출되는 전류량은 제한되며, 충전 중인 다른 배터리 셀들에 분배된다. 방전 중에는, 배터리의 지정된 최대 전류를 초과하는 전류로 방전이 일어나는 경우, 연결 엘리먼트의 그 정해진 단면 때문에 연결 엘리먼트가 녹아 나머지 배터리 팩과 분리된다,
즉, 본 발명에 따른 연결 엘리먼트의 단면은 배터리 셀을 방전할 때의 안전 조치로서, 그리고 충전할 때의 제한 수단으로서 기능하게 된다.
종래 기술에 따른 배터리 셀의 연결에 있어서, 개별 배터리 셀은 일반적으로 접점 스트립(contact strips)을 통해 연결되기 때문에, 특히 충전 중에는 배터리 팩 연결 영역에 가까운 배터리 셀은 배터리 팩 연결 영역으로부터 멀리 떨어진 배터리 셀보다 큰 전류를 받는다. 따라서, 배터리 팩 연결 영역에 근접하여 배치된 배터리 셀은 허용 온도 범위를 넘어서 가열될 수 있고 상기에 언급한 고장을 일으킬 수 있다.
전체 배터리 팩은 제조 및 작동 중에 열의 임계적인 축적 상태에 노출될 수 있기 때문에, 지지 구조들은 바람직하게는 내열의 비 도전성 재질, 바람직하게는 열경화성 수지로 만들어질 수 있다.
배터리 셀을 수용 개구에 삽입한 후에 그 배터리 셀에 대해 클램핑 효과를 달성하도록 하기 위해, 수용 개구의 치수들, 즉, 원형의 경우 그 내경은 배터리 셀의 각 외부 치수들, 즉, 외경에 적합하도록 형성된다. 택일 또는 추가적으로, 설정된 양의 접착제가 배터리 셀의 고정을 강화하기 위해, 수용 개구에 투입될 수도 있다.
연결 구조의 외부 치수들은 지지 구조의 외부 치수들과 실질적으로 상응한다.
배터리 셀이 삽입된 지지 구조들 또는 지지 구조들 상에 배치된 연결 구조들의 결합력은 주로 연결 엘리먼트와 연결 구조 사이 또는 연결 엘리먼트와 배터리 셀의 전기적 연결 접점 사이의 연결을 통해 얻어진다. 그러나 이러한 전기적 연결에 대한 기계적 부담을 가능한 한 경감시키려면, 지지 구조에 삽입된 배터리 셀들을 함께 견고하게 제1 연결 구조 및 제2 연결 구조 사이에서 추가 지지하도록, 제1 지지 구조와 제2 지지 구조 사이에 고정장치를 배치하는 것이 유리할 수 있다.
연결 엘리먼트는 바람직하게는 마찰 용접 또는 초음파 용접에 의해 연결 패드에서 연결 구조에 고정된다. 연결 패드의 크기는 연결 엘리먼트 너비의 사각형 영역에 상응할 수 있다. 연결 엘리먼트의 연결 구조에 대한 그와 같은 넓게 확장된 연결을 통해, 안전한 기계적 연결 및 전기 연결을 모두 이루게 된다.
본 발명의 목적은 배터리 팩을 제조하는 방법에 의해서도 달성된다. 상기 방법은 바람직하게는, 적어도 2개의 배터리 셀을 하나의 지지 구조에 삽입하는 단계, 연결 구조를 연결 엘리먼트에 연결하는 단계를 포함하며, 여기서, 각 배터리 셀에 대해, 적어도 하나의 연결 엘리먼트가 각각의 연결 구조에 제공된다. 연결 엘리먼트를 연결 구조에 연결한 후에, 연결 엘리먼트가 배터리 셀 각각의 전기적 연결 접점에 연결될 수 있도록, 연결 구조는 그 대응 연결 엘리먼트들과 함께 정렬된다. 그 다음, 배터리 셀의 타 측이 각 연결 구조 및 연결 엘리먼트에 유사하게 연결된다.
제1 실시예의 개별 특징들은 제2 실시예에서도 적용될 수 있으며, 그 반대로 제2 실시예의 개별 특징들은 제1 실시예에 적용될 수도 있다.
제조가 간단하고 배터리의 조립 및 작동 중에 충분한 열 발산을 가능하게 하며, 배터리 셀들의 연결 구조와 연결 접점들 사이에 신뢰성 있는 전기 연결을 제공하고, 개별 배터리 셀의 고장에 대처할 수 있는 배터리 팩을 제공한다.
도1은 본 발명에 따른 배터리 팩의 사시도이다.
도 2는 지지 구조의 사시도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 배터리 팩에 수용된 배터리 셀의 단면도이다.
도 3b는 지지 구조의 수용 개구 또는 연결 개구의 단면도이다.
도 4는 연결 구조를 위에서 본 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 위에서 본 도면이다.
도 6은 도 5의 부분 확대도이다.
도 7은 종래 기술의 배터리 팩이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 사시도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 지지 구조의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 팩의 단면도이다.
아래에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 배터리 팩(10)의 사시도이다. 이 실시예에서, 배터리 팩(10)은 그 단부 측들이 지지 구조(12, 13)에 수용된 40개의 배터리 셀(11)을 포함한다. 지지 구조들(12, 13)은 각각 연결 구조들(14)에 의해 덮이는데, 하부 연결 구조는 이 도면에서는 보이지 않는다. 연결 구조(14)는 접촉 개구(16)를 갖는다. 또한, 연결 구조(14)는 그에 고정되며 각각이 접촉 개구들(16) 내로 돌출된 연결 엘리먼트들(15)을 포함한다. 연결 엘리먼트들(15)은 여기서는 자세히 기술되지 않는 연결들을 통해 배터리 셀들(11)의 전기 연결 접점들에 각각 연결된다. 연결 구조(14)는 그 전방 좌측 영역에 지지 구조(12)를 넘어 더 돌출된 배터리 팩 연결 영역(17)을 포함한다. 바닥측에는, 하부 연결 구조(14)로부터 연장되어 다른 배터리 팩, 배터리 충전기 또는 부하로의 연결을 제공하는 배터리 팩 연결 영역 (18)이 보인다.
도 2는 지지 구조(12, 13)의 사시도를 나타낸다. 도 2에는 지지 구조(12, 13)가 수용 측 사이드로부터 보이도록 도시되어 있다. 수용 측 사이드는 각각의 수용 개구들(21)이 배열된 쪽이다. 배터리 셀들(11)은 수용 개구들(21)에 삽입된다. 지지 구조(12, 13)는 바람직하게는 적어도 하나의 베이스 엘리먼트 또는 돌출부(22)가 수용 개구(21) 안으로 돌출되어 배터리 셀들(11)에 대해 지지 역할을 하는 것을 특징으로 한다. 도 2에 따른 지지 구조(12, 13)에는, 수용 개구(21)로 돌출된 4개의 돌출부(22)가 포함된다. 도면에는 보이지만 표시되지 않은 또 다른 엘리먼트는 수용 개구(21) 반대 측에 위치한 연결 개구(23)이다. 이것은 도 3b에 더 자세히 도시되어 있다. 지지 구조(12, 13)의 연결 개구들(23)은 연결 측 사이드로 지칭되는 쪽에 위치한다.
도 3a 및 3b에는, 배터리 셀(11) 또는 연결 구조들(14)을 갖는 지지 구조들(12, 13)의 단면도가 도시되어 있다. 도 3a에 따르면, 배터리 셀(11)은 상부 및 하부 지지 구조(12, 13)에 수용된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 각각의 지지 구조(12, 13)는 수용 개구들(21)과 연결 개구들(23)을 갖는다. 따라서, 배터리 셀(11)은 그 단부 측이 수용 개구(21)에 삽입되어, 배터리 셀(11)의 전기적 연결 접점은 연결 개구(23)를 통해 억세스될 수 있다. 배터리 셀(11)의 전기적 연결 접점들(33, 34)은 지지 구조들(12, 13)의 상부면 또는 바닥면 아래에 위치한다. 즉, 전기적 연결 접점들(33, 34)은 지지 구조들(12, 13)에 있어 연결 구조(14)가 각각 놓이는 면들보다 낮은 곳에 위치한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(11)이 수용되는 영역은 돌출부(22)를 포함하며, 이러한 돌출부는 단일 돌출부로 형성되거나 원형 플랜지 또는 림으로서 상기 개구 안으로 돌출되며 형성될 수 있다. 수용 개구들(21)의 치수들은 배터리 셀(11)의 외형 치수들에 적합하다. 지지 구조들(12, 13) 상에 또는 그 위에, 연결 구조들(14)이 배열되며, 그 각각의 연결 구조는 도전성 재료로 만들어진다. 연결 구조들(14) 각각은 접촉 개구들(16)을 갖는다. 이러한 접촉 개구들(16)을 통해, 연결 엘리먼트(15)가 통과하여 바람직하게는, 마찰 용접 또는 초음파 용접과 같은 결합 과정에 의해, 연결 구조(14)에 고정된다. 따라서, 연결 엘리먼트(15)는 접촉 개구(16) 안으로 연장되어, 스폿 용접, 솔더링 등과 같은 공통된 연결 방법에 의해 배터리 셀들(11)의 전기적 연결 접점들(33, 34)에 연결된다.
도 4에는 상응하는 접촉 개구들(16)을 갖는 연결 구조(14)가 위에서 보여진 모습이 도시되어 있다. 접촉 개구들(16)의 수는 배터리 팩(10)에 포함되는 배터리 셀들(11)의 수와 일치한다. 접촉 개구(16)의 크기는, 연결 엘리먼트(15)가 접촉 개구(16)를 통과하여 배터리 셀(11)의 전기적 연결 접점(33, 34)에 접촉될 수 있도록 결정된다. 또한, 도 4에 따른 연결 구조(14)는, 충전기들 또는 부하들의 라인들이 연결될 수 있는 배터리 팩 연결 영역(17, 18)을 포함한다. 복수의 배터리 팩(10)을 결합할 때, 복수의 배터리 팩은 그 배터리 팩 연결 영역(17, 18)에서 서로 연결된다. 이 경우에, 개별 연결 구조(14)들은 상호 접속된 배터리 팩들의 총 전류에 대해 각각 구성된다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리 팩의 다른 실시예를 보여준다. 이 실시예에서, 연결 엘리먼트들(51)은 하나의 연결 엘리먼트(51)가 스트립 형상으로 되어 2개의 인접한 접촉 개구들(16) 각각의 안으로 돌출되도록 만들어진다. 이 스트립 형 연결 엘리먼트(51)는, 각각의 연결 패드(52)에서, 대응하는 접촉 개구(16)의 주변 영역에서 연결 구조(14)에 연결된다. 스트립 형 연결 엘리먼트(51)는 그에 상응하는 접촉 개구(16) 안으로 연장되고, 연장된 지점에서 대응하는 배터리 셀(11)의 전기적 연결 접점들(33, 34)에 연결된다. 이 실시예에서 명확히 나타나듯이, 유사한 유형의 전기적 연결 접점들(33, 34)은 배터리 팩(10)의 일 측, 즉 배터리 셀들(11)의 양극 또는 음극의 단자들 중 어느 한 쪽에 위치한다.
도 6은 도 5의 부분 확대도로서, 연결 구조(14)가 2개의 접촉 개구들(16)로 돌출하는 스트립 형 연결 엘리먼트(51)를 통해, 각 배터리 셀(11)에 연결되는 모습을 나타낸다. 예를 들면, 솔더링 또는 용접(53)을 통해 스트립 형 연결 엘리먼트(51)에 연결된 배터리 셀들(11)의 연결 접점(33)이 확인될 수 있다. 이 실시예에서, 스트립 형 연결 엘리먼트(51)는 2개의 연결 패드(52)에 의해 연결 구조(14)에 연결된다. 또 다른 실시예에서, 연결 구조(14)와 스트립 형 연결 엘리먼트(51) 사이의 보다 효율적이고 덜 복잡한 결합 방법에 도달하기 위해서, 이 스트립 형 연결 엘리먼트(51)는 오직 하나의 연결 지점(52)에서만 연결 구조(14)에 연결하는 것도 가능하다.
도 7은 복수의 배터리 셀들(11)이 병렬로 연결된 종래의 배터리 팩을 도시한다. 도면에 명백히 나타난 바와 같이, 개개의 배터리 셀(11)은 스트립 형 연결 엘리먼트들(71, 72)에 의해 서로 직접 연결되고, 연결 패드들(73)은 횡단 연결부들(72)과 종단 연결부들(71) 그리고 그 하부에 있는 배터리 셀(11)의 전기적 연결 접점(33) 사이를 연결한다. 따라서, 횡단 연결부 및 종단 연결부(71, 72)를 연결할 때 발생하는 열은 하부 연결 접점(33)으로도 직접 전달되어, 배터리 셀(11)이 조립 공정 중에 열 입력에 노출된다. 너무 많은 열은 배터리 셀(11)의 절연층(35)을 손상시킬 수도 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 배터리 셀(11)을 연결할 때, 발생한 큰 열이 배터리 셀(11)로 전달되어 위험한 상황을 초래할 수 있다. 또한, 배터리 셀(11)의 고장으로 횡단 연결부(72) 또는 종단 연결부(71)가 녹을 수 있기 때문에, 전체 배터리 팩의 고장을 초래할 수 있다. 따라서, 높은 전류를 발생시키는 배터리 셀(11)이 다른 배터리 셀(11)로부터 제대로 분리되지 않아서, 위험한 연쇄 반응이 초래될 수 있고, 궁극적으로 더 많은 배터리 셀들(11)이 가스를 방출하며 폭발할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 배터리 팩을 충전할 때, 전류 공급 측 쪽에 위치한 배터리 셀들(11)에는 본 발명에 따른 연결 구조(14)를 포함하는 경우보다 많은 전류가 공급된다. 스트립 형 횡단 및 종단 연결부들(71, 72)을 통해서는, 공급된 전류가 제대로 분배될 수 없다. 결과적으로, 전류 공급 측 쪽에 위치한 배터리 셀들(11)은, 전류 공급 측으로부터 더 멀리 있는 배터리 셀들(11)보다 더 가열된다.
본 발명에 따른 구성의 또 다른 이점은, 배터리 셀(11)의 연결 구조(14)와 연결 접점(33, 34)의 열적 분리에 기인한다. 도 3a에서 명백히 도시한 바와 같이, 연결 구조(14)와 연결 접점(33, 34) 사이의 거리로 인해, 연결 구조(14)에서의 높은 전류에 기인하거나 또는 연결 패드(52)에서 연결 엘리먼트(51)와 연결 구조(14) 사이를 연결함에 따른 열 영향이 연결 구조(14) 안에 있는 배터리 셀(11)에 전달될 수 없다. 그 거리는 돌출부들(22)이나 지지 구조들(12, 13)의 테두리에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 많은 수의 배터리 셀들(11)을 포함하기 때문에 연결 구조(14)에서 고전류가 흐르게 되는 대형 배터리 팩에 대해서는 적어도 하나의 돌출부(22)에 있어서 두께가 더 두꺼운 지지 구조(12, 13)가 이용될 수 있다. 결과적으로, 배터리 셀(11)은 상기와 같은 열 영향으로 인한 응력은 받지 않으며, 연결 엘리먼트(15, 51)와 연결 접점(33) 사이를 연결하는 동안에 발생한 열 영향과 자체의 전류 흐름에 기인한 열 영향에만 노출된다.
본 발명에 따른 배터리 팩의 크기는 배터리 셀들의 수를 선택함으로써 원하는 대로 변경될 수 있다. 또한, 배터리 팩의 형상은 배터리 셀의 수와 배열을 통해 각 경우에 맞게 조정될 수 있다. 예를 들어, 몇 개의 상호 연결된 배터리 팩이 차량에 사용된다면, 하나 이상의 배터리 셀이 고장난 경우, 고장난 배터리 셀이 있는 배터리 팩만을 교체하여 상당한 경제적 이익이 될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한다.
배터리 팩(10)은 두 개의 연결 구조(14)로 구성된다. 또한, 2개의 지지 구조(12, 13)가 포함된다. 배터리 셀들(11)은 상세하게는 도시되지 않은 지지 구조(12, 13)의 수용 개구들(21)에 삽입되거나 이들에 수용된다. 지지 구조체(12, 13)의 양측 외면상에 놓이는 연결 구조들(14)은 제1 실시예의 연결 구조와 유사하게 형성된다.
제1 실시예와는 달리, 연결 엘리먼트(15)는 상부 연결 구조(14)의 아래쪽을 향하는 면 (24a)과 제1 지지 구조(12)의 위쪽을 향하는 면(24) 사이에 배치되거나, 도 8의 바닥에 위치한 연결 구조(14)에 대해서 위쪽을 향하는 면에 배열된다. 이것은 바람직하게는, 니켈 또는 힐루민 스트립(Hilumin strip)으로 만들어진 연결 엘리먼트(15)가 제1 실시예에서와 같이 심하게 구부러질 필요가 없다는 이점을 갖는다.
배터리 팩(10)의 제조 시에, 배터리 셀들(11)은 두 개의 분리 또는 병행 공정을 통해 지지 구조들(12, 13) 내로 삽입될 수 있고, 예를 들어 고정장치(25)에 의해 함께 지지된다. 동시에, 접촉 개구들(16) 및 연결 엘리먼트들(15)을 갖는 연결 구조(14)가 제조될 수 있으며, 여기서, 연결 엘리먼트들(15) 각각은 해당 접촉 개구(16) 내로 돌출하도록 배열된다. 각각의 연결 엘리먼트(15)와 연결 구조(14) 사이의 연결은, 제1 실시예와 유사하게, 마찰 용접 또는 초음파 용접에 의해 이루어진다. 모든 연결 엘리먼트들(15)이 연결 구조(14)에 고정된 후에, 연결 구조(14)는 뒤집어져, 지지 구조(12 또는 13)의 위쪽 또는 바깥쪽을 향하는 면(24) 상에 배치된다. 또한, 지지 구조(12, 13)와 각 연결 구조(14) 사이에 단열층이 삽입될 수 있다.
지지 구조들(12, 13)을 고정장치(25)로 함께 고정하는 것이 반드시 필요한 것은 아니지만, 배터리 팩(10)의 제조 공정이 특히 쉽고 안전해진다. 선택적으로, 배터리 팩(10)의 제조 및 사용 중에, 지지 구조들(12, 13)이 함께 충분히 고정되도록 배터리 셀들(11)과 수용 개구들(21) 사이의 클램핑 효과를 충분히 활용할 수 있다.
연결 엘리먼트(15)를 갖는 연결 구조(14)가 배터리 셀들(11) 및 2개의 지지 구조(12, 13)로 구성된 미리 제조된 배터리 팩(10) 상에 놓인 후, 연결 구조(14)는 추가 고정장치(26)에 의해 지지 구조들(12, 13) 중 하나에 고정될 수 있다. 또한, 고정수단을 배터리 팩(10)에 관통시켜 연결 구조(14)의 반대 측 사이드들에 나사체결 시키는 것도 가능하다. 따라서, 연결 엘리먼트들(15)을 갖는 연결 구조(14)는 각 지지 구조(12, 13)에 고정되고, 배터리 셀들(11)은 그 내부에 수용된다. 이제, 이후 공정에서, 각각의 연결 엘리먼트(15)와 배터리 셀(11)의 양극 및 음극 전기 접점들(33, 34) 사이의 전기적 연결이 이루어질 수 있다. 고정장치들(26)이 반드시 포함될 필요는 없다. 경우에 따라, 즉, 예컨대, 배터리 팩(10)에 작용하는 진동 등의 기계적 응력이 거의 없는 경우, 연결 엘리먼트들(15)과 배터리 셀들(11)의 연결 접점들(33, 34) 사이의 연결은 연결 구조를 고정시키기에 충분하다.
연결 구조(14)와 지지 구조(12, 13) 사이의 연결 엘리먼트(15) 또는 전기적 연결 접점(33 또는 34)의 이러한 배열은, 연결 엘리먼트(15)가 최소한의 양만큼만 구부러져도 된다는 점에서 유리하다. 결과적으로, 마찰 용접 또는 초음파 마찰 용접에 의한 연결 작업 중에, 연결 엘리먼트(15)는 대응하는 접촉 개구(16)에 인접한 연결 패드(52)의 영역에 배치되어 연결 구조(14)에 연결될 수 있다. 모든 연결 엘리먼트들(15)이 연결 구조(14)에 연결되고 나면, 연결 구조(14)가 뒤집혀 연결 엘리먼트들(15)이 지지 구조(12, 13)와 연결 구조(14) 사이에 위치하게 되므로, 배터리 셀(11)의 전기 접점(33, 34) 거의 바로 위에 놓이게 된다. 그러면, 배터리 셀(11)의 전기적 연결 접점(33, 34)에 나머지 다른 전기적 연결이 만들어질 수 있다. 연결 엘리먼트(15)가 제1 실시예에서와 같이 심하게 구부러질 필요가 없기 때문에 전기적 연결이 더 신뢰할 수 있게 만들어질 수 있고 접촉 불량이 덜 발생한다.
이 실시예로부터 생기는 또 다른 이점은, 배터리 팩의 작동 중, 예를 들어, 진동의 발생으로 인한 기계적 응력이 있는 경우, 연결 엘리먼트(15)는 기계적 인장을 덜 받으며, 따라서, 연결 엘리먼트(15)와 배터리 셀(11)의 전기적 연결 접점들(33, 34) 사이의 접속 파괴가 크게 방지된다. 또한, 이 실시예에서 중요한 이점은 연결 엘리먼트들(15)과 연결 구조들(14) 사이의 연결점들이 예컨대 기계적 성질의 외부 영향으로부터 보호된다는 것이다. 게다가, 배터리 셀들(11)로부터 멀어지는 방향으로 완전히 평탄한 표면이 생성되어, 특히 커버 필름 또는 코팅의 적용을 용이하게 한다.
도 9는 지지 구조들(12, 13)의 다른 실시예를 도시한다. 지지 구조(12, 13)의 다른 실시예는, 도 2의 연결 구조와 대조적으로, 삽입된 배터리 셀(11)에 대한 수용 개구(21)의 경계를 형성하는 원주 플랜지(27)를 포함한다. 플랜지(27)의 내측으로 연장되는 더 작은 직경을 갖는 개구는 연결 개구(23)이며, 도 9에서 위쪽으로 향하고 있고 연결 개구(23) 보다 큰 직경을 가지는 개구는 수용 개구 (21)이다.
도 9의 지지 구조(12, 13) 제작은 도 2에 도시된 지지 구조와 비교하면 더 간단하다. 따라서, 수용 개구(21)와 연결 개구(23)를 갖는 지지 구조(12, 13)는 단순화된 사출 성형 방법 또는 칩핑(chipping)을 통해 매우 경제적으로 제작될 수 있다.
도 10은 도 8 에 따른 배터리 팩(10)의 단면도를 도시한다. 배터리 셀(11)은 제1 및 제2 지지 구조(12, 13) 사이에 삽입되고 각각의 수용 개구(21)에 의해 지지된다. 내측으로 돌출된 플랜지(27)는 여기에 도시되지 않았지만, 배터리 셀(11)의 상단 또는 하단 모서리를 넘어서 지지 구조(12, 13)의 각각의 개구로 돌출된다. 양극 및 음극 전기 연결 접점(33, 34)은 지지 구조(12, 13) 내에 위치되어, 연결 구조들(14)의 배치 과정 중에 발생하는 접촉으로부터 보호된다. 연결 구조(14)는 접촉 개구들(16)을 포함하며, 연결 엘리먼트들(15)은 이들 접촉 개구들(16) 안으로 돌출한다. 여기서, 연결 엘리먼트(15)는 도 3a의 실시예보다 훨씬 덜 심하게 구부러지거나 기계적으로 변형된다. 또한, 도 10은 배터리 셀들(11)이 삽입된 채 제1 및 제2지지 구조(12, 13)를 함께 지지하는 제1 고정장치(25)를 도시한다. 이를 위해, 2개의 스크류가 지지 구조들(12, 13)의 구멍들 안으로 삽입되고, 슬리브(25)와 나사 체결한다. 또한, 연결 구조(14)와 지지 구조들(12, 13)을 함께 나사로 고정하는 또 다른 고정장치(26)가 도시되어 있다.
고정장치(25, 26)는 상황에 따라 사용되는 수단이다. 따라서, 이들 고정장치(25, 26)가 생략될 수 있는 경우가 있고, 오직 하나(25 또는 26)가 사용되거나 혹은 두 개의 고정장치(25, 26) 모두가 사용될 수 있는 경우가 있다. 특히, 고정장치(25, 26)를 사용할지 말지는, 배터리 팩(10)이 외부 영향을 받는지, 받는다면 어떤 종류의 외부 영향을 받는지에 따라 결정된다.
하나의 실시예에서, 배터리 팩은: 적어도 2개의 배터리 셀(11)을 포함하며, 각 배터리 셀(11)은 양극 및 음극의 전기적 연결 접점(33, 34)을 가지고, 제1 연결 구조(14)는 배터리 셀들(11)의 양극의 연결 접점들(33)에 대응되며, 제2 연결 구조 (14)는 배터리 셀들(11)의 음극의 연결 접점들(34)에 대응되되, 각 연결 구조(14)는 연결된 각 배터리 셀(11)의 개별 전류의 합에 대응하는 전류 용량을 가지며, 각 배터리 셀은 적어도 하나의 연결 엘리먼트(15, 51)를 통해 제1 연결 구조(14)에 연결되고, 적어도 하나의 또 다른 연결 엘리먼트(15, 51)를 통해 제2 연결 구조(14)에 연결된다. 여기서, 각 연결 엘리먼트(15, 51)의 단면은 배터리 셀(11)의 미리 정해진 최대 전류에 따라 결정된다.
특히, 적어도 2개의 배터리 셀(11)은 병렬로 연결되고, 양극 및 음극의 전기적 연결 접점들(33, 34) 각각은 하나의 연결 구조(14)와 대응한다.
특히, 배터리 팩(10)은 적어도 2개의 배터리 셀(11)을 수용하기 위해, 적어도 하나의 지지 구조(12, 13)를 더 포함한다.
특히, 적어도 2개의 배터리 셀(11)은 원형 셀로 구성된다.
특히, 배터리 셀(11)의 전기적 연결 접점들(33, 34)은 배터리 셀(11)의 반대 측 단부 면들에 배치된다.
특히, 제1 지지 구조(12)는 양극의 전기 연결 접점들(33) 측에 배치되고, 제2 지지 구조(13)는 음극의 전기 연결 접점들(34) 측에 배치된다.
특히, 지지 구조(12, 13)는 배터리 팩의 각 배터리 셀(11) 외형의 적어도 일부를 수용하기 위한 수용 개구들(21)을 포함한다.
특히, 각 수용 개구(21)는 배터리 셀의 고정을 위해 미리 정해진 깊이를 갖는다.
특히, 지지 구조(12, 13) 내의 수용 개구들(21)의 배열은 수용 개구들(21) 내로 삽입되는 배터리 팩의 배터리 셀들(11) 사이의 거리를 결정한다.
특히, 연결 구조(12, 13)는 배터리 팩(10)의 각 배터리 셀(11)을 위한 연결 개구들(23)을 포함하며, 연결 개구들(23)은 각각 수용 개구들(21)에 삽입된 배터리 셀들(11)에 대한 전기적 접촉을 허용한다.
특히, 수용 개구(21)은 대응 연결 개구(23)보다 크다.
특히, 지지 구조(12, 13)는 배터리 셀들(11)을 수용하기 위한 수용 측 사이드와 배터리 셀들(11)의 전기적 연결을 위한 연결 측 사이드를 포함하며, 수용 측 사이드는 연결 측 사이드에 대해 반대 측에 위치한다.
특히, 지지 구조(12, 13)의 연결 개구들(23)는 연결 측 사이드에 배열된다.
특히, 양극의 연결 접점들(33)에 전기적으로 연결된 제1 연결 구조(14)는 음극의 연결 접점들(34)에 전기적으로 연결된 제2 연결 구조(14)에 대해 반대 측에 배치된다.
특히, 제1 연결 구조(14)는 제1 지지 구조(12)의 연결 측 사이드에 배치되고, 제2 연결 구조(14)는 제2 지지 구조(13)의 연결 측 사이드에 배치되며, 배터리 셀(11)은 제1 지지 구조(12)와 제2 지지 구조(13) 사이에 놓인다.
특히, 각 연결 구조(14)는 배터리 팩 연결 영역(17, 18)을 포함한다.
특히, 배터리 팩 연결 영역(17, 18)은 각각의 지지 구조(12, 13)의 외측 모서리를 넘어서 그 이상으로 돌출된다.
특히, 2개의 배터리 팩 연결 영역(17, 18)이 배터리 팩(10)에서 대각선적으로 반대 위치에 배치되어 있다.
특히, 각각의 연결 구조(14)는 도전성 재료로 만들어지고 모든 연결된 배터리 셀들(11)에 균일한 전류 분배를 허용하도록 평탄하게 형성된다.
특히, 연결 구조(14)는 제1 금속, 바람직하게는 구리 또는 다른 도전성 재료로 만들어진다.
특히, 연결 엘리먼트(15, 51)는 제2 금속, 바람직하게는 니켈 스트립 (힐루민 스트립) 또는 다른 도전성 재료로 만들어진다.
특히, 연결 구조(14)는 각각의 지지 구조(12, 13)의 연결 개구들(23)에 연결된 접촉 개구들(16)을 포함한다.
특히, 연결 구조(14)의 접촉 개구들(16)을 통해, 지지 구조(12, 13)의 연결 개구들(23)과 배터리 셀(11)의 양극 또는 음극의 연결 접점(34, 33)의 대응 접점이 노출된다.
특히, 특정 결합 방법에 의해 각각 연결 구조(14)에 고정된 연결 엘리먼트들(15, 51)이 각각의 접촉 개구들(16) 내로 돌출한다.
특히, 연결 엘리먼트들(15, 51)은 마찰 용접 또는 초음파 용접에 의해 연결 구조(14)에 고정된다.
특히, 연결 엘리먼트(15, 51)는 재료 접합에 의해 배터리 셀(11)의 전기적 연결 접점 (34, 33)에 연결된다.
특히, 연결 엘리먼트(15, 51)는 스폿 용접 또는 솔더링에 의해, 배터리셀(11)의 전기적 연결 접점(33, 34)에 연결된다.
특히, 연결 엘리먼트(15, 51)는, 최대 충전 또는 방전 전류 이상의 전류에서 녹아내려 연결 구조(14)와 배터리 셀(11)의 전기적 연결 접점(33, 34) 사이의 연결을 차단하는 단면을 갖는다.
특히, 연결 구조(14)와 지지 구조(12, 13)의 연결 측 사이드 사이에, 바람직하게는 테프론 재질의 단열층이 배치된다.
특히, 연결 엘리먼트(15, 51)의 횡단면은 배터리 팩(10)에 연결된 배터리 셀들(11)을 충전할 때 균일한 전류 분포가 이루어지도록 구성된다.
특히, 지지 구조(12, 13)는 내열성 있고 전기적으로 비 전도성인 재료, 바람직하게는 열경화성 수지로 형성된다.
특히, 수용 개구(21)의 치수들은 수용될 배터리 셀(11)의 바깥 둘레에 적합하고, 수용 개구(21)은 배터리 셀(11)에 대해 클램핑 효과를 발휘한다.
특히, 연결 구조(14)의 외형 치수들은 본질적으로 지지 구조(12, 13)의 외형 치수들에 대응한다.
특히, 연결 구조(14)는 연결 엘리먼트들(15, 51)의 각각의 접속을 위한 연결 패드들(52)을 포함하고, 그 치수들은 적어도 연결 엘리먼트(15, 51)의 폭의 사각형 영역에 상응한다.
특히, 삽입된 배터리 셀들(11)을 함께 지지하는 두 개의 지지 구조(12, 13)를 지지하기 위해, 적어도 하나의 고정장치가 제1 및 제2 지지 구조(12, 13) 사이에 배치된다.
특히, 배터리 셀들(11)은 수용 개구들(21) 내에서 접착제에 의해 고정된다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩의 제조 방법은: 적어도 2개의 배터리 셀(11)을 지지 구조(12, 13)에 삽입하는 단계; 배터리 셀(11) 당 하나의 연결 엘리먼트(15, 51)에 연결 구조(14)가 연결되는 단계; 상기 연결 구조(14)에 연결된 연결 엘리먼트들(15, 51)을 배터리 셀(11)의 전기적 연결 접점들(33, 34)에 연결하는 단계를 포함한다.

Claims (14)

  1. 배터리 팩에 있어서,
    적어도 두 개의 배터리 셀들(11)을 포함하되,
    각 배터리 셀(11)은 서로 상기 배터리 셀(11)의 반대 측에 위치하는 양극 및 음극의 전기 연결 접점(33, 34)을 가지고, 상기 적어도 두 개의 배터리 셀들(11)은 서로 병렬로 연결되며,
    상기 배터리 셀들(11)의 모든 상기 양극 연결 접점들(33)은 상기 배터리 팩의 일 측에서 제1 연결 구조(14)에 연결되고, 상기 배터리 셀들(11)의 모든 상기 음극 연결 접점들(34)은 상기 배터리 팩에 있어 상기 일측의 반대 측에서 제2 연결 구조(14)에 연결되며, 상기 제1 연결 구조(14)와 상기 제2 연결 구조(14)는 상기 배터리 팩(10)에 있어 서로 반대 측에 위치하고, 상기 제1 연결 구조(14)와 상기 제2 연결 구조(14)는 유사한 형상을 가지며, 상기 각 연결구조(14)는 각각의 연결된 배터리 셀(11)의 개별 전류들의 합에 상응하는 전류 용량을 가지며 모든 배터리 셀들(11)에 균일한 전류 분배를 허용하도록 평탄하게 형성되고,
    상기 각 배터리 셀은 적어도 하나의 연결 엘리먼트(15, 51)를 통해 상기 제1 연결 구조(14)에 연결되고, 적어도 하나의 추가 연결 엘리먼트(15, 51)를 통해 상기 제2 연결 구조(14)에 연결되며, 상기 각각의 연결 엘리먼트(15, 51)의 단면은 배터리 셀(11)의 설정된 최대 전류로 맞추어져 있고,
    제1 지지 구조(12)는 상기 양극의 전기 연결 접점들(33) 측에 배치되며,
    제2 지지 구조(13)는 상기 음극의 전기 연결 접점들(34) 측에 배치되고, 상기 제1 및 제2 지지 구조들(12, 13)은 상기 적어도 두 개의 배터리 셀들(11)을 수용하도록 형성되며,
    상기 평탄하게 형성된 제1 연결 구조(14) 및 상기 평탄하게 형성된 제2 연결 구조(14)의 외형 치수는 본질적으로 상기 제1 및 제2 지지 구조(12, 13)의 외형 치수에 상응하고,
    상기 평탄하게 형성된 제1 연결 구조(14)는 상기 제1 지지 구조(12)를 덮고, 상기 평탄하게 형성된 제2 연결 구조(14)는 상기 제2 지지 구조(13)을 거의 완전히 덮는,
    배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연결 엘리먼트들(15, 51)은 상기 연결 구조(14)에 있어서 상기 배터리 셀들(11)을 향하여 바라보는 쪽에 각각 배치되는 배터리 팩.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 지지 구조(12, 13)는 상기 배터리 셀들(11)의 전기 연결을 위한 연결 측 사이드에서 상기 연결 구조(14)를 향하여 바라보며 연결 개구들(23)이 형성되어 있는 일 면(24)을 가지고,
    조립된 상태에서 상기 연결 구조(14)는 상기 지지 구조(12, 13)의 상기 일 면(24) 상에 놓이고, 상기 연결 엘리먼트들(15, 51)은 상기 연결 개구들(23)을 관통하며, 상기 지지 구조(12, 13)의 상기 연결 개구들(23)은 상기 연결 측 사이드에 배치되고, 상기 지지 구조(12, 13)는 상기 배터리 셀들(11)을 수용하는 수용 측 사이드를 포함하며, 상기 수용 측 사이드는 상기 연결 측 사이드의 반대 측에 배치되는,
    배터리 팩.
  4. 상기 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
    i) 적어도 하나의 고정장치(25)가 상기 삽입된 배터리 셀들(11)과 함께 상기 두 개의 지지 구조들(12, 13)을 지지하기 위해 상기 제1 및 제2 지지 구조(12, 13) 사이에 배치되는 것, 및/또는
    ii) 상기 두 개의 연결 지지 구조들(14)과 배터리 셀들(11)을 수용한 상기 지지 구조들(12, 13)을 함께 지지하기 위해 적어도 하나의 고정장치(26)가 추가로 포함되는 것
    을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 상기 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 지지 구조(12, 13)는 상기 배터리 팩의 각 배터리 셀(11)의 외형 형상의 적어도 일부를 수용하기 위한 수용 개구들(21)을 포함하고, 각 수용 개구(21)는 상기 배터리 셀의 공간적인 고정을 위해 미리 결정된 깊이를 가지며,
    상기 지지 구조(12, 13) 내의 상기 수용 개구들(21)의 배열은 상기 수용 개구들(21)에 삽입되는 상기 배터리 팩의 상기 배터리 셀들(11) 사이의 거리를 결정하는,
    배터리 팩.
  6. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 수용 개구(21)는 대응 연결 개구(23)보다 큰 배터리 팩.
  7. 상기 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제1 연결 구조(14)는 상기 제1 지지 구조(13)의 상기 연결 측 사이드 측에 배치되고, 상기 제2 지지 구조(14)는 상기 제2 지지 구조(13)의 상기 연결 측 사이드 측에 배치되며, 상기 배터리 셀들(11)은 상기 제1 지지 구조(12)와 상기 제2 지지 구조(13) 사이에 배치되는 배터리 팩.
  8. 상기 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 연결 구조(14)는 제1 금속으로 만들어지고,
    상기 연결 엘리먼트(15, 51)는 상기 제1 금속과는 다른 제2 금속으로 만들어진,
    배터리 팩.
  9. 상기 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 연결 구조(14)는 지지 구조(12, 13)의 상기 연결 개구들(23)과 각각 대응되는 접촉 개구들(16)을 포함하고,
    상기 연결 구조(14)의 상기 접촉 개구들(16) 각각은 상기 지지 구조(12, 13)의 상기 연결 개구들(23)과 상기 배터리 셀(11)의 상기 양극 및 음극 연결 접점(33, 34)을 노출시키는,
    배터리 팩.
  10. 상기 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
    각각 접합 방법에 의해 상기 연결 구조(14)에 고정된 상기 연결 엘리먼트들(15, 51)은 각각의 상기 접촉 개구들(16) 내로 돌출되고,
    상기 연결 엘리먼트(15, 51)는 최대 충전 또는 방전 전류 이상의 전류에서 녹아 상기 연결 구조(14)와 상기 배터리 셀(11)의 상기 전기 연결 접점(33, 34) 사이의 연결을 단절시키는,
    배터리 팩.
  11. 상기 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 연결 엘리먼트들은(51) 하나의 연결 엘리먼트(51)는 스트립 형상이고, 하나의 연결 엘리먼트(51)는 두 인접한 접촉 개구들(16) 안으로 각각 돌출하도록 형성되며, 상기 스트립 형상의 연결 엘리먼트(51)는 상기 접촉 개구들(16) 사이에서 적어도 하나의 연결 패드(52)에서 상기 연결 구조(14)에 연결되는,
    배터리 팩.
  12. 상기 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
    각 연결 구조(14)는 배터리팩 연결 영역(17, 18)을 포함하는 배터리 팩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리팩 연결 영역(17, 18)은 상기 각 지지구조(12, 13)의 외측 테두리를 넘어 돌출하는 배터리 팩.
  14. 상기 청구항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 배터리 팩은 하나는 상기 제1 연결 구조(14) 측에 위치하고, 다른 하나는 제2 연결 구조(14) 측에 위치하는 두 개의 배터리팩 연결 영역(17, 18)을 포함하고, 상기 두 개의 배터리팩 연결 영역(17, 18)은 상기 배터리 팩에 있어서 서로 반대 측에 배치되되 서로 대각선적으로 반대 측에 위치하는, 배터리 팩.
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