KR20210155285A

KR20210155285A - 배터리 팩과, 배터리 팩을 포함하는 배터리 모듈과, 배터리 모듈을 포함하는 전원 공급 장치

Info

Publication number: KR20210155285A
Application number: KR1020200072607A
Authority: KR
Inventors: 장석균; 이한호; 오동구
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2021-12-22
Also published as: EP3926724A3; KR102547068B1; JP2021197369A; CN113809414A; US20210391619A1; EP3926724A2; JP7081025B2

Abstract

본 발명에서는, 배터리 팩과, 배터리 팩을 포함하는 배터리 모듈과, 배터리 모듈을 포함하는 전원 공급 장치가 개시된다. 상기 배터리 팩은, 제1 종 배터리 셀과, 제1 종 배터리 셀과 출력 및 용량이 서로 다른 제2 종 배터리 셀로서, 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 제1 종 배터리 셀을 둘러싸도록 배열되며, 제1 종 배터리 셀과 병렬 연결된 다수의 제2 종 배터리 셀을 포함한다.
본 발명에 의하면, 순시적으로 고출력의 발생이 가능하면서도 장기적으로 수명 단축을 막을 수 있는 고출력 고용량의 배터리 팩 및 이를 포함하는 배터리 모듈과 전원 공급 장치가 제공될 수 있다.

Description

배터리 팩과, 배터리 팩을 포함하는 배터리 모듈과, 배터리 모듈을 포함하는 전원 공급 장치{Battery pack, battery module having the battery pack, power supplier having the battery module}

본 발명은 배터리 팩, 배터리 팩을 포함하는 배터리 모듈과, 배터리 모듈을 포함하는 전원 공급 장치에 관한 것이다.

통상적으로 이차 전지는 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 전지이다. 이차 전지는 모바일 기기, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거, 무정전 전원공급장치(uninterruptible power supply) 등의 에너지원으로 사용되며, 적용되는 외부기기의 종류에 따라 단일 배터리 셀의 형태로 사용되기도 하고, 다수의 배터리 셀들을 연결하여 하나의 단위로 묶은 배터리 팩의 형태로 사용되기도 한다.

휴대폰과 같은 소형 모바일 기기는 단일 전지의 출력과 용량으로 소정시간 동안 작동이 가능하지만, 전력소모가 많은 전기 자동차, 하이브리드 자동차와 같이 장시간 구동, 고전력 구동이 필요한 경우에는 출력 및 용량의 문제로 배터리 팩이 선호되며, 배터리 팩은 내장된 배터리 셀의 개수에 따라 출력전압이나 출력전류를 높일 수 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 순시적으로 고출력의 발생이 가능하면서도 장기적으로 수명 단축을 막을 수 있는 고출력 고용량의 배터리 팩을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 서로 다른 출력 특성에 따라 서로 제조 단가가 상이한 고출력의 배터리 셀과 고용량의 배터리 셀이 함께 적용된 하이브리드 구조를 통하여 상대적으로 저렴한 비용으로 제공될 수 있는 고출력 고용량의 배터리 팩을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 서로 발열 특성이 상이한 배터리 셀을 인접한 위치에 배치함으로써, 상대적으로 높은 발열 특성의 제1 종 배터리 셀로부터 낮은 발열 특성을 갖는 제2 종 배터리 셀을 향하여 열 확산이 촉진될 수 있는 배터리 팩을 포함할 수 있다.

상기와 같은 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 배터리 팩은,

제1 종 배터리 셀; 및

상기 제1 종 배터리 셀과 출력 및 용량이 서로 다른 제2 종 배터리 셀로서, 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 제1 종 배터리 셀을 둘러싸도록 배열되며, 제1 종 배터리 셀과 병렬 연결된 다수의 제2 종 배터리 셀;을 포함한다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀의 출력은, 상기 제2 종 배터리 셀의 출력 보다 높고,

상기 제1 종 배터리 셀의 용량은, 상기 제2 종 배터리 셀의 용량 보다 작다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀의 출력 밀도는, 상기 제2 종 배터리 셀의 출력 밀도 보다 높고,

상기 제1 종 배터리 셀의 에너지 밀도는, 상기 제2 종 배터리 셀의 에너지 밀도 보다 낮다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀의 내부 저항은, 상기 제2 종 배터리 셀의 내부 저항 보다 작다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀과, 제2 종 배터리 셀은, 동일한 제1 방전 조건에서 서로 차등적인 전압 강하를 나타낼 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀과, 제2 종 배터리 셀은, 동일한 제2 방전 조건에서 서로 차등적인 용량을 나타낼 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀과, 제2 종 배터리 셀은, 동일한 제1 방전 조건에서 서로 차등적인 전압 강하를 나타내고,

상기 제1 종 배터리 셀과, 제2 종 배터리 셀은, 동일한 제2 방전 조건에서 서로 차등적인 용량을 나타내며,

상기 제1 방전 조건과 제2 방전 조건은, 각각 상대적으로 고율 방전과 저율 방전에 해당될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀은, 서로 마주하게 배치된 제1, 제2 극판과, 상기 제1, 제2 극판 사이에 개재된 제1 세퍼레이터를 구비하는 제1 전극 조립체를 포함하고,

상기 제2 종 배터리 셀은, 서로 마주하게 배치된 제3, 제4 극판과, 상기 제3, 제4 극판 사이에 개재된 제2 세퍼레이터를 구비하는 제2 전극 조립체를 포함한다.

예를 들어, 상기 제1 극판은, 제1 양극기재 상에 형성된 제1 양극활물질층을 포함하고,

상기 제2 극판은, 제1 음극기재 상에 형성된 제1 음극활물질층을 포함하며,

상기 제3 극판은, 제2 양극기재 상에 형성된 제2 양극활물질층을 포함하고,

상기 제4 극판은, 제2 음극기재 상에 형성된 제2 음극활물질층을 포함한다.

예를 들어, 상기 제1 양극활물질층의 두께는, 상기 제2 양극활물질층의 두께 보다 얇게 형성되고,

상기 제1 음극활물질층의 두께는, 상기 제2 음극활물질층의 두께 보다 얇게 형성된다.

예를 들어, 상기 제1 양극활물질층의 길이는, 상기 제2 양극활물질층의 길이 보다 길게 형성되고,

상기 제1 음극활물질층의 길이는, 상기 제2 음극활물질층의 길이 보다 길게 형성된다.

예를 들어, 상기 제1 양극활물질층의 길이 및 상기 제1 음극활물질층의 길이는, 상기 제1 전극 조립체의 권취 방향을 따르는 길이에 해당되고,

상기 제2 양극활물질층의 길이 및 상기 제2 음극활물질층의 길이는, 상기 제2 전극 조립체의 권취 방향을 따르는 길이에 해당된다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 배치되는 상기 제2 종 배터리 셀의 배열 개수는, 최소 6개 이상에서 최대 9개 이하로 설정된다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 배치되는 상기 제2 종 배터리 셀의 배열 개수는, 최소 7개 이상에서 최대 9개 이하로 설정된다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 배치되는 상기 제2 종 배터리 셀의 배열 개수는, 최소 7개 이상에서 최대 8개 이하로 설정된다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀의 외주면을 따라 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀은 서로로부터 이격된다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 이웃한 제2 종 배터리 셀의 서로 마주하는 외주면 사이에 갭이 형성된다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀과, 상기 제1 종 배터리 셀을 둘러싸는 제2 종 배터리 셀 사이에도 또 다른 갭이 형성된다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀의 외주면 상이면서 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀 사이에는, 서로 이웃한 두 개의 제2 종 배터리 셀과 상기 제1 종 배터리 셀 사이 사이의 갭 및 또 다른 갭을 향하여 오목하게 수렴하는 세 부분을 포함하며, 제1 종 배터리 셀의 길이 방향을 따라 연장되는 주상의 여유 공간이 형성된다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀과 상기 제2 종 배터리 셀은, 각각 제1 직경과 제2 직경의 원형 단면을 갖는 원형 배터리 셀을 포함한다.

예를 들어, 상기 제1 직경은, 제2 직경과 같거나 크다.

예를 들어, 상기 배터리 팩은, 상기 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀을 서로 전기적으로 연결해주는 연결 배선을 더 포함한다.

예를 들어, 상기 연결 배선은 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 배치된 제2 종 배터리 셀의 배열 개수와 동수로 마련된 다수의 연결 배선을 포함한다.

예를 들어, 상기 다수의 연결 배선 각각은, 상기 제1 종 배터리 셀과 다수의 제2 종 배터리 셀 각각 사이의 전기적 연결을 형성한다.

예를 들어, 상기 다수의 연결 배선은, 상기 제1 종 배터리 셀의 전극 상에서 공통 접점을 형성하며, 제1 종 배터리 셀의 전극으로부터 방사상으로 연장되면서 다수의 제2 종 배터리 셀의 전극에 각각 연결된다.

예를 들어, 상기 배터리 팩은, 상기 제1 종 배터리 셀에 연결되어 외부 부하를 향하는 충, 방전 경로를 형성하기 위한 입출력 배선을 더 포함한다.

예를 들어, 상기 입출력 배선은, 상기 제1 종 배터리 셀과 외부 부하 사이와, 상기 제2 종 배터리 셀과 외부 부하 사이에서 공통적인 충, 방전 경로를 형성한다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀의 충, 방전 경로는, 상기 입출력 배선을 포함하고,

상기 제2 종 배터리 셀의 충, 방전 경로는, 상기 입출력 배선에 추가적으로, 상기 연결 배선을 더 포함한다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀의 충, 방전 경로 보다, 상기 제2 종 배터리 셀의 충, 방전 경로가 상대적으로 더 길게 형성된다.

예를 들어, 상기 입출력 배선 보다, 상기 연결 배선이 상대적으로 큰 저항을 갖도록 형성된다.

예를 들어, 상기 입출력 배선의 단면적은, 상기 연결 배선의 단면적 보다 넓다.

예를 들어, 상기 입출력 배선 및 연결 배선은, 각각 서로 다른 제1, 제2 금속 소재를 포함하고,

상기 제1 금속 소재는, 제2 금속 소재 보다 높은 전기 전도도를 갖는다.

예를 들어, 상기 연결 배선은, 추가 저항을 포함한다.

예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀 및 제2 종 배터리 셀은, 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 배열된 다수의 제2 종 배터리 셀의 외주면과 연속적으로 접하면서 다수의 제2 종 배터리 셀을 연속적으로 둘러싸는 원형의 포락선(envelop) 내에 포위된다.

예를 들어, 상기 배터리 팩은, 상기 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀을 함께 수용하는 것으로, 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀의 길이 방향을 따라 연장되면서 원형 단면을 갖는 원기둥 형태의 셀 수용 공간을 제공하는 팩 케이스를 더 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 모듈은,

제1 배터리 팩; 및

상기 제1 배터리 팩의 둘레를 따라 제1 배터리 팩을 둘러싸도록 배열된 다수의 제2 배터리 팩을 포함하는 배터리 모듈로서,

각각의 제1, 제2 배터리 팩은,

제1 종 배터리 셀; 및

예를 들어, 상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩은, 각각 제3 직경과 제4 직경의 원형 단면을 갖는다.

예를 들어, 상기 제3 직경과 제4 직경은 서로 동일하고,

상기 제1 배터리 팩의 둘레를 따라 배치된 제2 배터리 팩의 배열 개수는 6개이다.

한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전원 공급 장치는,

상기 배터리 모듈을 다수 포함하는 전원 공급 장치로서,

상기 배터리 모듈은 제1, 제2 열을 이루어 배열되고,

상기 제1, 제2 열의 배터리 모듈은 서로 엇갈리게 배치되며,

상기 제1, 제2 열의 배터리 모듈은, 서로 사이 사이에 끼워지며 조밀하게 배열된다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 제1 종 배터리 셀을 통하여 신속하게 고출력을 발생하면서도 제2 종 배터리 셀을 통하여 전체 배터리 팩의 용량을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀은, 서로 협력하여 외부 부하의 출력 요구에 대응할 수 있으며, 제1 종 배터리 셀에 연결된 저항과, 제2 종 배터리 셀에 연결된 저항의 상대적인 비율에 따라 안분된 전류를 발생할 수 있는데, 특히 제1 종 배터리 셀에 연결된 저항과 제2 종 배터리 셀에 연결된 저항을 차등적으로 형성함으로써, 제1 종 배터리 셀을 통하여 순시적으로 요구되는 피크 로드에서 대부분의 전류를 분담하도록 할 수 있으며, 이를 통하여 제2 종 배터리 셀의 수명 단축을 막을 수 있고, 순시적으로 고출력의 발생이 가능하면서도 장기적으로 수명 단축을 막을 수 있는 고출력 고용량의 배터리 팩이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 서로 다른 출력 특성에 따라 서로 제조 단가가 상이한 고출력의 제1 종 배터리 셀과 고용량의 제2 종 배터리 셀이 함께 적용되는 하이브리드 구조를 통하여 상대적으로 저렴한 비용으로 고출력 고용량의 배터리 팩이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 상대적으로 높은 발열 특성을 갖는 고출력의 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 상대적으로 낮은 발열 특성을 갖는 고용량의 제2 종 배터리 셀을 배열함으로써, 제1 종 배터리 셀의 높은 발열이 국부적으로 축적되지 않고, 제1 종 배터리 셀을 둘러싼 제2 종 배터리 셀을 통하여 열 확산이 촉진되도록 할 수 있다.

도 1에는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩의 분해 사시도가 도시되어 있다.
도 2에는, 도 1에 도시된 배터리 팩의 단면도가 도시되어 있다.
도 3a 내지 도 3c에는, 제1 종 배터리 셀에 구비되는 제1 전극 조립체를 설명하기 위한 도면들로서, 각각 제1 전극 조립체의 사시도와, 도 3a에 도시된 제1 전극 조립체를 전개하여 도시한 분해 사시도와, 도 3b에 도시된 제1 전극 조립체의 C-C` 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다.
도 4a 및 도 4b에는, 제2 종 배터리 셀에 구비되는 제2 전극 조립체를 설명하기 위한 도면들로서, 각각 제2 전극 조립체의 사시도와, 제2 전극 조립체의 단면도가 도시되어 있다.
도 5a에는, 본 발명의 일 실시형태에서, 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀의 배치 관계를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 5b에는, 본 발명의 다른 실시형태에서, 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀의 배치 관계를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 6a 내지 도 6d에는, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 배터리 팩의 구조를 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 7에는 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀의 개수의 비율에 따라 배터리 팩의 출력 밀도 및 에너지 밀도가 변화하는 양상을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 8에는 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀의 개수의 비율에 따라 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀의 발열량 비율이 변화하는 양상을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 9에는, 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀의 배열 개수에 따라 면적 이용률 증가(%)가 변화하는 양상을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 10a 내지 도 10c에는, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀의 전기적인 연결 구조를 설명하기 위한 서로 다른 도면들이 도시되어 있다.
도 11에는 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 12에는 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전원 공급 장치를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 관한 배터리 팩, 배터리 모듈 및 전원 공급 장치에 대해 설명하기로 한다.

도 1에는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩의 분해 사시도가 도시되어 있다. 도 2에는, 도 1에 도시된 배터리 팩의 단면도가 도시되어 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩(P)은, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제1 종 배터리 셀(C1)을 둘러싸도록 배열되는 다수의 제2 종 배터리 셀(C2)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)은, 수시적인 출력 기능을 수행하는 고출력의 배터리 셀로서, 하나의 배터리 팩(P)은 단수의 제1 종 배터리 셀(C1)을 포함할 수 있다. 상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 달리, 상기 제2 종 배터리 셀(C2)은 장기적인 출력 기능을 수행하는 고용량 배터리 셀로서, 고용량을 구현하기 위하여 하나의 배터리 팩(P)은 다수의 제2 종 배터리 셀(C2)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)은 제2 종 배터리 셀(C2) 보다 고출력을 발생할 수 있도록 제2 종 배터리 셀(C2) 보다 상대적으로 높은 출력 밀도로 형성될 수 있다. 여기서, 출력 밀도(watt/liter)란, 배터리에서 제공할 수 있는 출력을 비교하기 위한 것으로, 소정의 부피(liter) 당 구현할 수 있는 출력(watt)을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 출력 밀도는, 배터리의 수명 특성의 저하가 없는 상태에서 배터리의 단위 부피(liter)당 최대 출력(watt)을 의미할 수 있으며, 소정의 사이클 동안 배터리의 수명을 유지할 수 있는 상태에서 배터리에서 뽑아낼 수 있는 단위 부피(liter)당 최대 출력(watt)을 의미할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 종 배터리 셀(C2)은 제1 종 배터리 셀(C1) 보다 고용량을 제공할 수 있도록, 제1 종 배터리 셀(C1) 보다 상대적으로 높은 에너지 밀도로 형성될 수 있다. 여기서, 에너지 밀도란, 배터리의 용량을 비교하기 위한 것으로, 표준 충방전 조건(ex. 0.5C 충전/0.2C 방전) 하에서 배터리의 단위 부피(liter)당 얻어지는 배터리의 에너지(Wh)를 의미할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)은 피크 로드에 대응하여 순시적으로 신속하게 고출력을 발생함으로써 제2 종 배터리 셀(C2)의 열화를 방지할 수 있고, 상기 제2 종 배터리 셀(C2)은 장기적으로 전체 배터리 팩(P)의 고용량을 담당할 수 있다.

상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)은, 전기적으로 상호 연결될 수 있으며, 후술하는 바와 같이, 제1 종 배터리 셀(C1)과, 제2 종 배터리 셀(C2)은 서로 병렬 연결되어, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1, 제2 전극(C11,C12)은, 각각 제2 종 배터리 셀(C2)의 제1, 제2 전극(C21,C22)과 연결될 수 있으며, 이에 따라, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)과, 제2 종 배터리 셀(C2)은 내부적으로 서로 전류를 보충하며 상호 작용을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)은, 서로 협력하며 외부 부하의 출력 요구에 대응할 수 있다. 예를 들어, 외부 부하의 베이스 로드에서, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)은 함께 출력을 발생할 수 있고, 외부 부하의 피크 로드에서, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)은 순시적인 고출력을 발생하고, 제2 종 배터리 셀(C2)은 제1 종 배터리 셀(C1)의 용량 감소를 보충하도록 전류를 발생할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서는, 제1 종 배터리 셀(C1)을 통하여 피크 로드에서 고출력을 신속하게 발생하면서도 제1 종 배터리 셀(C1)의 감소된 용량을 제2 종 배터리 셀(C2)이 보충해줌으로써, 전체 배터리 팩(P)의 용량을 향상시킬 수 있다. 본 발명과 달리, 고용량의 제2 종 배터리 셀(C2)이 고출력을 발생하기 위해서는 수명 단축이 야기될 수 있으므로, 순시적인 고출력을 발생할 수 있는 고출력의 제1 종 배터리 셀(C1)과, 제1 종 배터리 셀(C1)의 용량 감소를 보충해줄 수 있는 고용량의 제2 종 배터리 셀(C2)의 병렬 연결을 통하여 고출력 및 고용량의 요구에 대응할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)은, 수시적인 출력 기능을 수행하는 고출력의 배터리 셀이며, 상기 제2 종 배터리 셀(C2)은 장기적인 출력 기능을 수행하는 고용량의 배터리 셀로서, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)과, 제2 종 배터리 셀(C2)은 서로 출력 특성이 상이한 배터리 셀로 마련될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상대적으로 고출력의 제1 종 배터리 셀(C1)과, 상대적으로 고용량의 제2 종 배터리 셀(C2)은, 서로 다른 내부 저항을 가질 수 있고, 동일한 제1 방전 조건에서 서로 차등적인 전압 강하를 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 동일한 OCV(open circuit voltage)로부터 1.5C ~ 2.0C의 제1 방전 조건에서, 내부 저항이 상대적으로 작은 고출력의 제1 종 배터리 셀(C1)의 방전 전압은 상대적으로 완만하게 하강하는데 반하여, 내부 저항이 상대적으로 큰 고용량의 제2 종 배터리 셀(C2)의 방전 전압은 상대적으로 급격하게 하강할 수 있다. 즉, 동일한 제1 방전 조건에서, 고출력의 제1 종 배터리 셀(C1)의 전압 강하가, 고용량의 제2 종 배터리 셀(C2)의 전압 강하 보다 작을 수 있다. 이와 같이, 고출력의 제1 종 배터리 셀(C1)과 고용량의 제2 종 배터리 셀(C2)은, 동일한 제1 방전 조건의 고율 방전(1.5C ~ 2.0C)에서 서로 차등적인 전압 강하를 나타낼 수 있으며, 또한, 동일한 제2 방전 조건의 저율 방전에서 서로 차등적인 용량을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 방전 조건으로, 동일한 OCV(open circuit voltage)로부터 완전 방전까지의 용량은, 고출력의 제1 종 배터리 셀(C1)의 용량이, 고용량의 제2 종 배터리 셀(C2)의 용량 보다 작을 수 있다. 여기서, 상기 제1 방전 조건과 제2 방전 조건은, 각각 상대적으로 고율 방전과 저율 방전에 해당될 수 있으며, 예를 들어, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 용량 비교를 위한 제2 방전 조건은, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 전압 강하의 비교를 위한 제1 방전 조건 보다 상대적으로 저율 방전에 해당될 수 있으며, 저율 방전 하에서 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 용량 측정이 보다 정확하게 이루어질 수 있다.

도 3a 내지 도 3c에는, 제1 종 배터리 셀에 구비되는 제1 전극 조립체를 설명하기 위한 도면들로서, 각각 제1 전극 조립체의 사시도와, 도 3a에 도시된 제1 전극 조립체를 전개하여 도시한 분해 사시도와, 도 3b에 도시된 제1 전극 조립체의 C-C` 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다.

도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 제1 종 배터리 셀(C1)은, 서로 마주하게 배치된 제1, 제2 극판(11,12)과, 상기 제1, 제2 극판(11,12) 사이에 개재된 제1 세퍼레이터(15)를 포함할 수 있다. 서로 마주하게 배치된 제1, 제2 극판(11,12)은, 서로 반대 극성을 갖는 양극판 및 음극판에 해당될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 극판(11)은, 제1 양극기재(11a) 상에 형성된 제1 양극활물질층(11b)을 포함할 수 있고, 상기 제2 극판(12)은, 제1 음극기재(12a) 상에 형성된 제1 음극활물질층(12b)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)은, 제1, 제2 극판(11,12) 사이에 제1 세퍼레이터(15)를 개재하여 롤 형태로 권취된 제1 전극 조립체(A1)를 포함할 수 있다. 다만, 상기 제1 전극 조립체(A1)는, 롤(roll) 형태로 권취된 권취형에 한정되지 않고, 본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 제1 전극 조립체(A1)는, 제1, 제2 극판(11,12) 사이에 제1 세퍼레이터(15)를 개재하여 서로에 대해 적층된 다수의 제1, 제2 극판(11,12)을 포함하는 적층형으로 마련될 수도 있다. 한편, 도 3a 및 도 3b에서 도면번호 11c 및 12c는 제1, 제2 극판(11,12)의 양극기재(11a) 및 음극기재(12a)에 형성된 전극탭을 의미할 수 있고, 각각 제1 양극전극탭 및 제1 음극전극탭을 의미할 수 있다.

도 4a 및 도 4b에는, 제2 종 배터리 셀에 구비되는 제2 전극 조립체를 설명하기 위한 도면들로서, 각각 제2 전극 조립체의 사시도와, 제2 전극 조립체의 단면도가 도시되어 있다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 제2 종 배터리 셀(C2)은, 서로 마주하게 배치된 제3, 제4 극판(21,22)과, 상기 제3, 제4 극판(21,22) 사이에 개재된 제2 세퍼레이터(25)를 포함할 수 있다. 서로 마주하게 배치된 제3, 제4 극판(21,22)은, 서로 반대 극성을 갖는 양극판 및 음극판에 해당될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제3 극판(21)은, 제2 양극기재(21a) 상에 형성된 제2 양극활물질층(21b)을 포함할 수 있고, 상기 제4 극판(22)은, 제2 음극기재(22a) 상에 형성된 제2 음극활물질층(22b)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 종 배터리 셀(C2)은, 제3, 제4 극판(21,22) 사이에 제2 세퍼레이터(25)를 개재하여 롤(roll) 형태로 권취된 제2 전극 조립체(A2)를 포함할 수 있다. 다만, 상기 제2 전극 조립체(A2)는 롤 형태로 권취된 권취형에 한정되지 않고, 본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 제2 전극 조립체(A2)는, 제3, 제4 극판(21,22) 사이에 제2 세퍼레이터(25)를 개재하여 서로에 대해 적층된 다수의 제3, 제4 극판(21,22)을 포함하는 적층형으로 마련될 수도 있다. 한편, 도 4a에서 도면번호 21c 및 22c는 제3, 제4 극판(21,22)의 양극기재(21a) 및 음극기재(22a)에 형성된 전극탭을 의미할 수 있고, 각각 제2 양극전극탭 및 제2 음극전극탭을 의미할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 전극 조립체(A1)는 제2 전극 조립체(A2) 보다 고출력을 발생할 수 있도록, 상기 제1 전극 조립체(A1)는, 제2 전극 조립체(A2)에 비해, 상대적으로 높은 출력 밀도로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 전극 조립체(A1)에 구비된 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 도포양은 제1 전극 조립체(A1)의 출력 밀도와 관계가 있으며, 제1 전극 조립체(A1)의 출력 밀도를 높이기 위하여, 상기 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 두께(t11,t12)는 상대적으로 얇게 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 제1 전극 조립체(A1)에 구비된 제1 양극활물질층(11b)의 두께(t11)는, 제2 전극 조립체(A2)에 구비된 제2 양극활물질층(21b)의 두께(t21) 보다 얇게 형성될 수 있고, 제1 전극 조립체(A1)에 구비된 제1 음극활물질층(12b)의 두께(t12)는, 제2 전극 조립체(A2)에 구비된 제2 음극활물질층(22b)의 두께(t22) 보다 얇게 형성될 수 있다.

이와 같이, 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 두께(t11.t12)는 상대적으로 얇게 형성하되, 제1 전극 조립체(A1)의 용량은 동일하게 유지되도록 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 체적은 동일하게 유지할 수 있으며, 이를 위해, 제1 양극활물질층(11b) 및 제2 음극활물질층(22b)의 길이(L11,L12)는 상대적으로 길게 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극 조립체(A1)에 구비되는 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 두께(t11,t12)를 종전 대비 1/3 수준으로 얇게 형성하면서, 전체 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 체적은 동일하게 유지하도록 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 길이(L11,L12)는 3배로 길게 형성할 수 있다. 여기서, 상기 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 길이(L11,L12)란 제1 전극 조립체(A1)의 권취 방향을 따르는 길이를 의미할 수 있으며, 후술하는 바와 같이, 상기 제2 양극활물질층(21b) 및 제2 음극활물질층(22b)의 길이(L21,L22)란 제2 전극 조립체(A2)의 권취 방향을 따르는 길이를 의미할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 제1 전극 조립체(A1)에 구비되는 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 두께(t11,t12)는, 제2 전극 조립체(A2)에 구비되는 제2 양극활물질층(21b) 및 제2 음극활물질층(22b)의 두께(t21,t22)의 1/3 수준으로 얇게 형성할 수 있고, 제1 전극 조립체(A1)에 구비되는 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 길이(L11,L12)는, 제2 전극 조립체(A2)에 구비되는 제2 양극활물질층(21b) 및 제2 음극활물질층(22b)의 길이(L21,L22)의 3배 수준으로 길게 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 제1 전극 조립체(A1)의 출력 밀도를 높이기 위한 구성으로서, 제1 전극 조립체(A1)에 구비된 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 두께(t11,t12)를 상대적으로 얇게 형성하고 있으나, 본 발명의 다른 실시형태에서는, 제1 전극 조립체(A1)의 출력 밀도를 높이기 위한 또 다른 구성으로서, 상기 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 합제 밀도를 낮게 형성할 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시형태에서, 제1 전극 조립체(A1)에 구비된 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 합제 밀도는, 제2 전극 조립체(A2)에 구비된 제2 양극활물질층(21b) 및 제2 음극활물질층(22b)의 합제 밀도 보다 낮게 형성될 수 있다. 이 경우에도 제1 전극 조립체(A1)의 용량은 동일하게 유지되도록, 제1 전극 조립체(A1)에 구비되는 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 합제 밀도는, 제2 전극 조립체(A2)에 구비되는 제2 양극활물질층(21b) 및 제2 음극활물질층(22b)의 합제 밀도 보다 낮게 형성하면서, 제1 전극 조립체(A1)에 구비되는 제1 양극활물질층(11b) 및 제1 음극활물질층(12b)의 길이(L11,L12)는, 제2 전극 조립체(A2)에 구비되는 제2 양극활물질층(21b) 및 제2 음극활물질층(22b)의 길이(L21,L22) 보다 길게 형성할 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)은, 각각 제1, 제2 직경(D1,D2)의 원형 단면으로 갖는 원형 배터리 셀로 마련될 수 있다. 즉, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)은 제1 직경(D1)의 원형 단면을 따라 외주면을 형성할 수 있고, 제1 종 배터리 셀(C1)의 외주면을 따라 제2 직경(D2)의 원형 단면을 갖는 제2 종 배터리 셀(C2)이 배열될 수 있다.

도 5a에는, 본 발명의 일 실시형태에서, 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀의 배치 관계를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 도 1, 도 2 및 도 5a를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배치되는 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수는, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1) 및 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)에 따라 결정될 수 있으며, 제1, 제2 직경(D1,D2)과 함께, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배열된 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)에 따라 결정될 수 있다. 즉, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)에 따라, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레 방향으로 제1 종 배터리 셀(C1)의 외주면 길이가 결정될 수 있으며, 제1 종 배터리 셀(C1)의 외주면 길이 상으로 제2 직경(D2)의 제2 종 배터리 셀(C2)이 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)을 사이에 두고 배열될 수 있다. 여기서, 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)이란, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레 방향을 따르는 갭(g)의 크기를 의미하는 것으로, 예를 들어, 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2)의 서로 마주하는 외주면 사이의 갭(g)을 의미할 수 있다. 예를 들어, 제1 종 배터리 셀(C1)의 호 상으로 다수의 제2 종 배터리 셀(C2)이 배열될 경우, 제1 종 배터리 셀(C1)의 호와 접하면서 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이에는 여유 공간 내지는 사-공간(TS)이 형성될 수 있으나, 본 명세서를 통하여 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)이란, 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2)이 서로 마주하는 외주면, 그러니까, 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2)이 서로 마주하는 방향(제1 종 배터리 셀 C1의 둘레 방향에 해당됨)을 따라 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2)이 서로 마주하는 외주면 사이의 갭(g)을 의미할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 상기 갭(g)은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레 방향을 따라 서로 이웃하는 제2 종 배터리 셀(C2)의 서로 마주하는 외주면 사이에 존재하는 갭(g)을 의미할 수 있으나, 상기 갭(g)은, 제2 종 배터리 셀(C2)과 제2 종 배터리 셀(C2)에 의해 둘러싸인 제1 종 배터리 셀(C1) 사이에도 존재할 수 있다. 이 경우, 제1 종 배터리 셀(C1)의 호와 접하면서 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이에 존재하는 사-공간(TS)은, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)을 포함하는 사-공간(TS)은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 호와 접하면서 서로 이웃하는 제2 종 배터리 셀(C2) 사이에 존재할 수 있으며, 상기 사-공간(TS)은, 제1 종 배터리 셀(C1)과 서로 이웃한 두 개의 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)을 향하여 오목하게 수렴하는 세 부분을 포함하며, 제1 종 배터리 셀(C1)의 길이 방향을 따라 주상으로 형성된 공간을 포함할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시형태에서, 상기 갭(g)이란, 서로 이웃한 배터리 셀(C1,C2) 사이에 존재하는 최소한의 공간을 의미할 수 있으며, 보다 구체적으로, 상기 갭(g)은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레 방향을 따라 서로 이웃하는 제2 종 배터리 셀(C2) 사이에 존재하는 갭(g, 제2 종 배터리 셀 C2 사이의 갭)을 포함할 수 있고, 또한, 제2 종 배터리 셀(C2)과 제2 종 배터리 셀(C2)에 의해 둘러싸인 제1 종 배터리 셀(C1) 사이에 존재하는 갭(g, 제1 종 배터리 셀 C1과 제2 종 배터리 셀 C2 사이의 갭)을 포함할 수 있으며, 이런 의미에서, 상기 갭(g)은, 배터리 팩(P)을 형성하는 서로 이웃한 배터리 셀(C1,C2) 사이에 존재하는 최소한의 공간을 의미할 수 있다. 상기 갭(g)과 관련하여, 배터리 팩(P)을 형성하는 서로 이웃한 배터리 셀(C1,C2) 사이에 존재하는 최소한의 공간이란, 서로 다른 배터리 셀(C1,C2) 사이의 열적 및 전기적 간섭을 차단하기 위하여, 서로 이웃한 배터리 셀(C1,C2) 사이에 확보된 최소한의 공간을 의미할 수 있다. 다시 말하면, 상기 갭(g)을 통하여, 서로 이웃한 배터리 셀(C1,C2) 간의 열적 및 전기적 간섭이 차단될 수 있으며, 예를 들어, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)을 통하여, 상대적으로 높은 발열 특성을 갖는 제1 종 배터리 셀(C1)로부터 상대적으로 낮은 발열 특성을 갖는 제2 종 배터리 셀(C2)을 향한 열적 간섭이 차단될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서는, 상대적으로 높은 발열 특성을 갖는 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 상대적으로 낮은 발열 특성을 갖는 제2 종 배터리 셀(C2)을 배치함으로써, 상대적으로 높은 발열 특성의 제1 종 배터리 셀(C1)로부터 상대적으로 낮은 발열 특성의 제2 종 배터리 셀(C2)을 향하는 열 전파를 촉진할 수 있다. 이때, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)을 통하여 제1 종 배터리 셀(C1)로부터의 과도한 열 전파를 통하여 제2 종 배터리 셀(C2)이 열화되는 것을 차단할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 서로 이웃하는 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)과, 제1 종 배터리 셀(C2)과 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)은, 동일한 치수로 형성될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 이하에서 설명되는 [수학식 1]에서 갭(g)이란, 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)과, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)을 모두 의미할 수 있으며, 보다 구체적으로, 상기 갭(g)은, 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)이면서 동시에 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)을 의미할 수 있고, 이때, 상기 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)과, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)은, [수학식 1]에서 표현된 관계에 의해 동일한 치수로 설정될 수 있다. 본 명세서 첨부된 도면들에서, 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)과, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)에는 동일한 도면번호가 부여되어 있으나, 이는 이해의 편의를 위한 것이며, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 예를 들어, 도 5b에 도시된 실시형태에서, 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g1)과, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g2)은 서로 다른 치수로 차등적으로 설정될 수도 있다.

서로 이웃하는 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배치된 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수와 관련이 있으며, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 제1, 제2 직경(D1,D2)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수로부터 설정될 수 있다. 이하에서, 별도의 특별한 언급이 없는 한, 갭(g)이란, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배치된 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수와 관련이 있는 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)을 의미할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시형태에서, 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2), 그리고, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배열되는 제2 종 배터리 셀(C2)의 개수에 따라 존재할 수도 있고, 존재하지 않을 수도 있다. 후술하는 바와 같이, 제1, 제2 직경(D1,D2)이 동일한 치수로 설계되면서, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 6개의 제2 종 배터리 셀(C2)이 배열될 경우, 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)은 존재하지 않을 수 있다(도 6a 참조).

도 5a를 참조하면, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수(n)와, 제1 종 배터리 셀(C1) 및 제2 종 배터리 셀(C2)의 제1, 제2 직경(D1,D2)과, 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)은, 이하와 같은 [수학식 1]의 관계를 만족할 수 있다. 여기서, 도 5a 및 [수학식 1]에서, 제1, 제2 반경(R1,R2)은, 각각 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 제1, 제2 직경(D1,D2)의 절반에 해당되는 값을 가질 수 있다.

[수학식 1]

도 5a를 참조하면, 상기와 같은 [수학식 1]은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 중심과, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 서로 이웃하게 배열되는 배열되는 제2 종 배터리 셀(C2)의 두 개의 중심을 연결하는 삼각형을 양분하는 직각 삼각형에 대해, 삼각 함수를 적용함으로써, 얻어질 수 있다.

도 5b에는, 본 발명의 다른 실시형태에서, 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀의 배치 관계를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 도 5b를 참조하면, 서로 이웃하는 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g1)과, 제1 종 배터리 셀(C2)과 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g2)은, 서로 다른 치수로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g1)과, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g2)은, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 서로 다른 발열 특성을 고려하여, 서로 다른 값으로 차등적으로 설정될 수 있다.

도 5b를 참조하면, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수(n)와, 제1 종 배터리 셀(C1) 및 제2 종 배터리 셀(C2)의 제1, 제2 직경(D1,D2)과, 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g1)과, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g2)은, 이하와 같은 [수학식 2]의 관계를 만족할 수 있다. 여기서, 도 5b 및 [수학식 2]에서, 제1, 제2 반경(R1,R2)은, 각각 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 제1, 제2 직경(D1,D2)의 절반에 해당되는 값을 가질 수 있다.

[수학식 2]

도 5b를 참조하면, 상기와 같은 [수학식 2]는, 제1 종 배터리 셀(C1)의 중심과, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 서로 이웃하게 배열되는 제2 종 배터리 셀(C2)의 두 개의 중심을 연결하는 삼각형을 양분하는 직각 삼각형에 대해, 삼각 함수를 적용함으로써, 얻어질 수 있다.

도 6a 내지 도 6d에는, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 배터리 팩의 구조를 도시한 도면이 도시되어 있다.

도면들을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레 방향을 따라 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수는 다양하게 변형될 수 있으며, 배열 개수에 따라 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)과, 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)이 다양하게 변화될 수 있다. 여기서, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)과, 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)은 다양하게 변화될 수 있으나, 상기 제1, 제2 직경(D1,D2)은 임의로 선택된 치수라기 보다는 상용화된 배터리 셀의 치수에 해당될 수 있다. 즉, 도 6a 내지 도 6d에 도시된 다양한 사이즈의 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)은 상용화된 사이즈를 갖는 배터리 셀에 해당될 수 있다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 6개일 때, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레 방향을 따라 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)은 존재하지 않을 수 있으며, 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2)의 서로 마주하는 외주면은 서로 맞닿을 수 있다. 여기서, 서로 이웃하는 제2 종 배터리 셀(C2)의 외주면은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레 방향을 따라 서로 마주하는 외주면을 의미할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 6개일 때, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)은 서로 동일할 수 있고, 서로 이웃하는 제2 종 배터리 셀(C2)의 외주면은 서로 접촉할 수 있다.

도 6b 내지 도 6d에 도시된 바와 같이, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 7개 내지 9개일 때, 서로 이웃하는 제2 종 배터리 셀(C2)의 외주면 사이에는 갭(g)이 형성될 수 있으며, 서로 이웃하는 제2 종 배터리 셀(C2)의 외주면은 서로 접촉하지 않을 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수는 최소 7개 이상 최대 9개 이하로 설정될 수 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 6개일 때는, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 서로 이웃하는 제2 종 배터리 셀(C2)의 외주면이 서로 접촉하게 되므로, 서로 이웃하는 제2 종 배터리 셀(C2) 간의 접촉을 통하여 열 전파가 이루어질 수 있고, 예를 들어, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 서로에 대해 맞닿게 배열된 제2 종 배터리 셀(C2) 중에서 어느 하나의 제2 종 배터리 셀(C2)이 고온 열화될 경우, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 열 폭주(thermal runaway)가 발생될 수 있다. 또한, 제2 종 배터리 셀(C2)의 외주면은 제2 종 배터리 셀(C2)의 어느 일 극성을 가질 수 있고, 서로 이웃하는 제2 종 배터리 셀(C2)의 외주면끼리 접촉을 통하여 전기적인 단락이 발생될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서 제2 종 배터리 셀(C2)끼리는 서로 병렬 연결되기는 하지만, 제2 종 배터리 셀(C2)의 외주면끼리의 접촉을 통하여 단락될 경우, 제어되지 않은 충, 방전 경로를 통하여 충, 방전 전류의 누설이 야기될 위험이 있을 수 있다. 한편, 도 6a에 도시된 바와 같이, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 6개일 때, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)은 서로에 대해 접촉될 수 있고, 제1 종 배터리 셀(C1)의 외주면을 따라 제2 종 배터리 셀(C2)이 접촉되면서, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 사이에는 갭이 존재하지 않을 수 있다. 이러한 실시형태에서, 상대적으로 고온 발열 특성의 제1 배터리 셀(C1)로부터 상대적으로 저온 발열 특성의 제2 배터리 셀(C2)을 향하여 과도한 열 전파가 이루어질 수 있고, 제어되지 않은 충, 방전 경로를 통하여, 충, 방전 전류의 누설이나 서로에 대한 전기적인 간섭이 야기될 수도 있다.

본 발명의 다양한 실시형태에서는, 제2 종 배터리 셀(C2)끼리 및/또는 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 간의 열적 접촉이나 전기적 접촉을 회피함으로써 열적 접촉에 따른 열 전파나 열 폭주를 차단하고, 전기적 접촉에 따른 단락을 방지하기 위하여, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수는 최소 7개 이상 최대 9개 이하로 설계될 수 있다.

도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 대체로 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 증가함에 따라, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)이 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2) 보다 증가하는 경향을 가질 수 있다. 예를 들어, 보다 증가된 제1 직경(D1)의 외주면 상으로 더 많은 개수의 제2 종 배터리 셀(C2)이 배열될 수 있다. 예를 들어, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 증가함에 따라, 제1 종 배터리 셀(C1)의 단면적 비중이 제2 종 배터리 셀(C2)의 단면적 비중 보다 크게 증가하며, 이는 상대적으로 높은 출력 밀도로 형성된 제1 종 배터리 셀(C1)의 비중이 증가하고, 상대적으로 높은 에너지 밀도로 형성된 제2 종 배터리 셀(C2)의 비중이 감소함을 의미하는 것이고, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 증감함에 따라 배터리 팩(P)의 출력 및 용량이 변화하게 된다는 것을 의미할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시형태에서, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 같은 개수의 제2 종 배터리 셀(C2)이 배열되더라도, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)은 서로 다른 치수로 설계될 수 있으며, 도 7에서 볼 수 있듯이, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 각각 동일한 7개, 8개, 9개라도, 각각 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)은 서로 다른 치수로 설계될 수 있으며, 예를 들어, 배열 개수가 동일한 8개라도, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)은 각각 33.5mm와 21mm 조합과, 각각 41mm와 26mm의 조합으로 서로 다르게 설계될 수 있다. 이와 같이, 각각의 서로 다른 제1, 제2 직경(D1,D2)에 따라 제1 종 배터리 셀(C1)의 단면적 비중과 제2 종 배터리 셀(C2)의 단면적 비중이 달라질 수 있고, 예를 들어, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 8개로 동일하더라도, 배터리 팩(P)의 출력 및 용량은 서로 다르게 설계될 수 있다.

도 7에는 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀의 개수의 비율에 따라 배터리 팩의 출력 밀도 및 에너지 밀도가 변화하는 양상을 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 7을 참조하면, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 개수의 비율은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배치되는 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수를 의미할 수 있다. 또한, 도 7에는, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 개수의 비율과 함께, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)이 함께 표시되어 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 개수의 비율이 동일하더라도, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)은 서로 다른 조합으로 설계될 수 있으며, 이에 따라 출력 밀도 및 에너지 밀도가 변화할 수 있다는 점을 고려하여, 도 7에서는 제1 직경(D1)과 제2 직경(D2)을 함께 나타내고 있다.

도 7을 참조하면, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 증가함에 따라, 대체로 출력 밀도는 증가하는 경향을 보이고, 에너지 밀도는 감소하는 경향을 보이게 된다. 여기서, 출력 밀도와 에너지 밀도는 각각 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)을 포함하는 전체 배터리 팩(P)의 출력 밀도와 에너지 밀도를 나타내는 것이다.

제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 증가하면서 출력 밀도가 증가하는 경향은, 순시적으로 고출력을 발생하도록 상대적으로 높은 출력 밀도로 형성된 제1 종 배터리 셀(C1)의 비중이 증가하므로, 전체 배터리 팩(P)의 출력 밀도가 증가하는 경향을 갖는 것으로 이해될 수 있다.

제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 증가하면서 에너지 밀도가 감소하는 경향은, 장기적으로 고용량을 담당하도록 상대적으로 높은 에너지 밀도로 형성된 제2 종 배터리 셀(C2)의 비중이 상대적으로 감소하므로, 전체 배터리 팩(P)의 에너지 밀도가 감소하는 경향을 갖는 것으로 이해될 수 있다.

도 7을 참조하면, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 동일한 경우라도, 구체적인 실시형태에 따라 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)이 서로 다른 경우에는, 제1, 제2 종 배터리 셀(C1,C2)의 상대적인 비중이 서로 다를 수 있고, 이에 따라, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 동일한 경우에도 배터리 팩(P)의 출력 밀도 및 에너지 밀도가 서로 다를 수 있다.

도 7을 참조하면, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 6개로부터 7개로 증가함에 따라 출력 밀도가 증가하는 것은 물론이고, 에너지 밀도도 함께 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 증가함에도 불구하고 에너지 밀도가 증가하는 것은, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)과, 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)은, 상용화된 배터리 셀의 사이즈에 맞게 선택될 수 있고, 이에 따라, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 6개일 때와 7개일 때, 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)이 동일하게 유지될 수 있다. 예를 들어, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 6개일 때와 7개일 때, 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)은 21mm로 동일하게 유지될 수 있으며, 이에 따라, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 7개일 때가 배열 개수가 6개일 때 보다 상대적으로 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다. 즉, 앞서 설명된 바와 같이, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 증가함에도 불구하고 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)이 감소하지 않고 동일하게 유지되므로, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 6개일 때 보다 배열 개수가 7개일 때, 상대적으로 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다.

상기 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 6개일 때 보다 7개일 때 출력 밀도는 물론이고, 에너지 밀도도 함께 증가하므로, 본 발명의 일 실시형태에서, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수는 최소 7개 이상으로 선택되는 것이 바람직할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수는 최대 7개 이상 최소 9개 이하로 설정될 수 있다.

도 7을 참조하면, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 8개일 때 보다 9개일 때 에너지 밀도가 급격하게 떨어지게 되므로, 본 발명의 일 실시형태에서, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수는 최대 8개 이하로 선택될 수 있다. 예를 들어, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 8개일 때 보다 9개일 때, 출력 밀도는 증가하는 한편으로 에너지 밀도는 떨어지게 되는데, 이때, 출력 밀도의 증가분에 비해, 에너지 밀도의 감소분이 현저하게 두드러지게 되므로, 본 발명의 일 실시형태에서 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수는 최대 8개 이하로 선택될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수는 최대 7개 이상 최소 8개 이하로 설정될 수 있다.

도 8에는 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀의 개수의 비율에 따라 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀의 발열량 비율이 변화하는 양상을 보여주는 도면이 도시되어 있다. 여기서, 발열량 비율은, 제2 종 배터리 셀(C2)의 발열에 대한 제1 종 배터리 셀(C1)의 발열의 상대적인 비율을 나타내는 것으로, 제2 종 배터리 셀(C2)에 대한 제1 종 배터리 셀(C1)의 발열의 배수, 그러니까, 제1 종 배터리 셀(C1)의 발열이 제2 종 배터리 셀(C2)의 발열의 몇 배에 해당되는지를 나타낼 수 있다.

도 8을 참조하면, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 개수의 비율은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배치되는 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수를 의미할 수 있다. 또한, 도 8에는, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 개수의 비율과 함께, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)이 함께 표시되어 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 개수의 비율이 동일하더라도, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)은 서로 다른 조합으로 설계될 수 있으며, 이에 따라 발열량의 비율이 변화할 수 있다는 점을 고려하여, 도 8에서는 제1 직경(D1)과 제2 직경(D2)을 함께 나타내고 있다.

상기 제1 종 배터리 셀(C1)은, 피크 로드에 대응하여 순시적으로 신속하게 고출력을 발생하므로, 그 만큼 높은 발열을 일으킬 수 있다. 이에 반하여, 제2 종 배터리 셀(C2)은, 장기적으로 제1 종 배터리 셀(C1)의 용량을 보충하거나 베이스 로드에 대응하므로, 제1 종 배터리 셀(C1) 보다는 상대적으로 낮은 발열을 일으킬 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서는, 제1 종 배터리 셀(C1)을 통하여 신속하게 고출력을 발생하면서도 제2 종 배터리 셀(C2)을 통하여 제1 종 배터리 셀(C1)의 용량을 보충해줄 수 있으며, 예를 들어, 상대적으로 높은 발열 특성을 갖는 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 상대적으로 낮은 발열 특성을 갖는 제2 종 배터리 셀(C2)을 배열함으로써, 제1 종 배터리 셀(C1)의 높은 발열이 국부적으로 축적되지 않고, 제1 종 배터리 셀(C1)을 둘러싼 제2 종 배터리 셀(C2)을 통하여 열 확산이 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 높은 발열 특성을 갖는 제1 종 배터리 셀(C1)의 주변으로, 낮은 발열 특성을 갖는 제2 종 배터리 셀(C2)을 배열함으로써, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 간의 온도 편차(또는 발열량 비율)에 따라 제1 종 배터리 셀(C1)로부터 제2 종 배터리 셀(C2)을 향하는 열 확산이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 종 배터리 셀(C1)과, 제2 종 배터리 셀(C2) 간의 온도 편차(또는 발열량 비율)가 확대될수록 제1 종 배터리 셀(C1)로부터 제2 종 배터리 셀(C2)을 향하는 열 확산이 촉진될 수 있다.

도 8을 참조하면, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배열되는 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 증가함에 따라 제1 종 배터리 셀(C1)의 발열량 비율이 증가함을 확인할 수 있다. 즉, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 6개로부터 9개로 증가함에 따라, 제1 종 배터리 셀(C1)의 단면적 비중이 제2 종 배터리 셀(C2)의 단면적 비중 보다 증가하면서, 제1 종 배터리 셀(C1)의 발열이 상대적으로 현저해지고, 제1 종 배터리 셀(C1)의 발열이 제2 종 배터리 셀(C2)의 발열 보다 1.6 배에서 4.2 배까지 증가하게 됨을 알 수 있다.

예를 들어, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배열되는 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 증가함에 따라, 제1 종 배터리 셀(C1)의 제1 직경(D1)이 제2 종 배터리 셀(C2)의 제2 직경(D2)에 비하여 상대적으로 증가하면서, 제1 종 배터리 셀(C1)의 단면적 비중이 증가할 수 있고, 상대적으로 높은 발열의 제1 종 배터리 셀(C1)의 단면적 비중이 증가하면서 제1 종 배터리 셀(C1)의 발열량 비율이 증가하는 것으로 이해될 수 있다. 이때, 제1 종 배터리 셀(C1)의 발열량 비율이 증가하는 것은, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 간의 발열량의 차이가 증가한다는 것으로, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 간의 온도 편차가 증가하면서 높은 발열의 제1 종 배터리 셀(C1)로부터 낮은 발열의 제2 종 배터리 셀(C2)을 향하는 열 확산이 촉진될 수 있다. 다시 말하면, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 증가함에 따라 상대적으로 높은 발열 특성을 갖는 제1 종 배터리 셀(C1)의 발열량이 증가하지만, 높은 발열 특성을 갖는 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 낮은 발열 특성을 갖는 제2 종 배터리 셀(C2)을 배열함으로써, 제1 종 배터리 셀(C1)로부터 제2 종 배터리 셀(C2)을 향하는 열 확산이 촉진될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태에서, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수는, 최소 7개 이상으로 설계될 수 있다. 도 8에서 볼 수 있듯이, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 6개일 때, 제1 종 배터리 셀(C1)의 발열량은 제2 종 배터리 셀(C2)의 발열량의 1.6배 수준으로, 제1 종 배터리 셀(C1)로부터 제2 종 배터리 셀(C2)을 향하는 열 확산을 촉진하기에는, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 간의 발열량 비율 내지는 온도 편차가 충분히 크지 않을 수 있으므로, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수는 최소 7개 이상으로 설계될 수 있다.

도 9에는, 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 제2 종 배터리 셀의 배열 개수에 따라 면적 이용률 증가(%)가 변화하는 양상을 보여주는 도면이 도시되어 있다. 여기서, 면적 이용률은, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)을 포위하는 셀 영역(S, 도 1 및 도 2 참조)의 단면적에 대해, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)이 차지하는 단면적의 상대적인 비율을 의미할 수 있다. 또한, 면적 이용률 증가는, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)을 포위하는 셀 영역(S, 도 1 및 도 2 참조)의 단면적에 대해, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)이 차지하는 단면적이 증가하는 상대적인 비율(%)을 나타날 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 배터리 팩(P)의 용량과 관련된 단위 부피당 에너지 밀도는, 에너지 생산이나 변환에 기여하지 않는 사-공간(TS, 도 1 및 도 2 참조)을 제거함으로써, 향상될 수 있다. 예를 들어, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 다수의 제2 종 배터리 셀(C2)이 배열될 수 있으며, 이때, 제1 종 배터리 셀(C1)의 호와 접하면서 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이에는 제1 종 배터리 셀(C1)의 길이 방향을 따라 주상으로 형성된 사-공간(TS)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 사-공간(TS)은 제1 종 배터리 셀(C1)과 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)을 포함할 수 있으며, 제1 종 배터리 셀(C1)과 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 갭(g)을 따라 수렴하는 오목한 형태의 세 부분을 포함하며, 제1 종 배터리 셀(C1)의 길이 방향을 따라 연장되는 주상의 공간을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 상기 사-공간(TS)을 줄이기 위한 구성으로, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배치되는 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 종 배터리 셀(C1)의 크기(제1 직경 D1)를, 제2 종 배터리 셀(C2)의 크기(제2 직경 D2) 보다 증가시키면서, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 상대적으로 많은 개수의 제2 종 배터리 셀(C2)을 배열함으로써, 제1 종 배터리 셀(C1)의 호와 접하면서 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이에 형성되는 사-공간(TS)을 줄일 수 있다.

도 9를 참조하면, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배치되는 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 증가함에 따라 면적 이용률은 증가하고, 역으로 사-공간(TS)은 줄어들게 된다. 예를 들어, 면적 이용률이란, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)을 포위하는 셀 영역(S)의 단면적에 대해, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)이 차지하는 단면적의 상대적인 비율을 의미할 수 있으며, 전체 셀 영역(S) 중에서 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)이 차지하는 단면적의 비중이 증가할수록, 그리고, 전체 셀 영역(S) 중에서 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)을 제외한 사-공간(TS)에 해당되는 단면적의 비중이 감소할수록, 증가할 수 있다. 상기 셀 영역(S)에 대한 보다 구체적인 기술적 내용은 후에 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 9를 참조하면, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 적을 때는 면적 이용률 증가가 상대적으로 크다가, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 증가하면서 면적 이용률 증가가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수가 9개 이상에서는 면적 이용률 증가가 거의 일정한 값으로 수렴하며, 제2 종 배터리 셀(C2)의 개수를 9개 이상으로 증가시키는 것은 면적 이용률 증가 내지는 사-공간(TS)의 감소에 거의 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다. 이상과 같은 고려로부터 본 발명의 일 실시형태에서, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배열되는 제2 종 배터리 셀(C2)의 개수는 최대 8개 이하로 설정될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에서, 배터리 팩(P)을 형성하는 다수의 배터리 셀, 그러니까, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배열된 다수의 제2 종 배터리 셀(C2)을 연속적으로 둘러싸는 포락선(envelop)에 의해 정의되는 셀 영역(S) 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 셀 영역(S)을 정의하는 포락선(envelop)은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배열된 다수의 제2 종 배터리 셀(C2)의 외주면과 연속적으로 접하면서 다수의 제2 종 배터리 셀(C2)을 연속적으로 둘러싸는 곡선 형상으로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)은, 제1 직경(D1)의 단면을 갖는 원형 배터리 셀로 마련될 수 있으며, 상기 제2 종 배터리 셀(C2)은, 제2 직경(D2)의 단면을 갖는 원형 배터리 셀로 마련될 수 있다. 이때, 상기 셀 영역(S)은 원호 형상의 포락선(envelop)으로 정의되는 원형으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)은 셀 영역(S)의 중앙 위치에 배치될 수 있고, 제2 종 배터리 셀(C2)은 셀 영역(S)의 가장자리를 따라 배열될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)의 중심은, 셀 영역(S)의 중앙 위치에 정렬될 수 있고, 상기 제2 종 배터리 셀(C2)의 중심은, 셀 영역(S)의 중앙 위치를 둘러싸는 원호를 따라 배열될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩(P)은, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)을 함께 수용하는 팩 케이스(PC)를 더 포함할 수 있다. 상기 팩 케이스(PC)는, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 길이 방향을 따라 연장되면서 원형 단면을 갖는 원기둥 형태의 셀 수용 공간(CA)을 가질 수 있다.

도 10a 내지 도 10c에는, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀의 전기적인 연결 구조를 설명하기 위한 서로 다른 도면들이 도시되어 있다.

도 10a를 참조하면, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배열된 다수의 제2 종 배터리 셀(C2)은, 서로 병렬 연결될 수 있다. 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)은, 다수의 연결 배선(W1)을 통하여 서로 병렬 연결될 수 있다. 상기 연결 배선(W1)은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배치된 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수에 해당되는 다수의 연결 배선(W1)을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 연결 배선(W1)은, 제1 종 배터리 셀(C1)과 어느 하나의 제2 종 배터리 셀(C2) 사이의 전기적 연결을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 다수의 연결 배선(W1)은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 전극으로부터 방사상으로 연장되면서 각각 해당되는 제2 종 배터리 셀(C2)의 전극에 연결될 수 있다. 다수의 연결 배선(W1)은 제1 종 배터리 셀(C1)의 전극 상에서 공통 접점을 형성하면서 제1 종 배터리 셀(C1)과 다수의 제2 종 배터리 셀(C2)을 병렬 연결할 수 있다. 상기 연결 배선(W1)은, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)을 상호 전기적으로 연결하면서, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 용량을 서로 보충해줄 수 있으며, 예를 들어, 제1 종 배터리 셀(C1)은 피크 로드에 대응하여 신속하게 고출력을 발생하고, 제2 종 배터리 셀(C2)은 연결 배선(W1)을 통하여 제1 종 배터리 셀(C1)의 용량 감소를 보충해줄 수 있다.

상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)은, 서로 협력하여 외부 부하의 출력 요구에 대응할 수 있으며, 제1 종 배터리 셀(C1)에 연결된 저항과, 제2 종 배터리 셀(C2)에 연결된 저항의 상대적인 비율에 따라 안분된 전류를 발생할 수 있다. 여기서, 제1 종 배터리 셀(C1) 및 제2 종 배터리 셀(C2)에 연결된 저항이란, 제1 종 배터리 셀(C1) 및 제2 종 배터리 셀(C2)의 내부 저항과 외부 저항을 포괄한 전체 저항을 의미할 수 있다. 상기 제1 종 배터리 셀(C1) 및 제2 종 배터리 셀(C2)은 각각 상대적으로 높은 출력 밀도와 에너지 밀도로 형성되어 서로 다른 내부 저항을 가질 수 있고, 제1 종 배터리 셀(C1)의 내부 저항 보다는 제2 종 배터리 셀(C2)의 내부 저항이 보다 큰 값을 갖도록 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 내부 저항의 설계에 따라, 제2 종 배터리 셀(C2) 보다는 제1 종 배터리 셀(C1)이 상대적으로 많은 전류를 발생할 수 있다. 예를 들어, 상기 내부 저항은 리액턴스 성분을 가질 수 있으며, 피크 로드에서는 제1 종 배터리 셀(C1)이 전류의 대부분을 발생하고, 베이스 로드에서는 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)이 서로 협력하여 전류를 발생할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 팩(P)은 전기 차량의 구동 전원을 공급할 수 있으며, 차량의 가속시 피크 로드에 대응하여 제1 종 배터리 셀(C1)이 전류의 대부분을 발생할 수 있고, 차량의 정속 주행시 베이스 로드에 대응하여 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)이 서로 협력하여 전류를 발생할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 차량의 감속시 발생되는 재생 전류를 이용하여 배터리 팩(P)을 충전할 수 있으며, 제1 종 배터리 셀(C1)에 순시적으로 발생하는 재생 전류의 대부분을 충전할 수 있고, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2) 간을 연결하는 연결 배선(W1)을 통하여 제2 종 배터리 셀(C2)의 용량을 보충해줄 수 있다. 제2 종 배터리 셀(C2)을 통하여 순시적으로 고출력의 전류를 발생하거나 또는 순시적으로 고출력의 전류를 충전할 경우, 제2 종 배터리 셀(C2)의 수명 단축이 야기될 수 있으므로, 순시적으로 요구되는 고출력의 전류나 순시적으로 발생되는 고출력의 전류는, 제1 종 배터리 셀(C1)을 통하여 방전 또는 충전할 수 있고, 연결 배선(W1)을 통하여 제2 종 배터리 셀(C2)과의 용량 균형을 이룰 수 있다.

상기 제1 종 배터리 셀(C1)에는 외부 부하와 연결되어, 배터리 팩(P)의 충, 방전 경로를 형성하기 위한 입출력 배선(W2)이 연결될 수 있다. 상기 입출력 배선(W2)은 제1 종 배터리 셀(C1)과 외부 부하 사이와, 제2 종 배터리 셀(C2)과 외부 부하 사이에서 공통적인 충, 방전 경로를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 입출력 배선(W2)은 제1 종 배터리 셀(C1)의 전극 상에 연결되어 제1 종 배터리 셀(C1)로부터 외부 부하를 향하여 연결될 수 있으며, 제1 종 배터리 셀(C1)의 충, 방전 경로는 상기 입출력 배선(W2)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 입출력 배선(W2)은 제1 종 배터리 셀(C1)의 전극 상에서 연결 배선(W1)과 공통 접점을 형성할 수 있으며, 제2 종 배터리 셀(C2)의 충, 방전 경로는 제2 종 배터리 셀(C2)의 전극과 제1 종 배터리 셀(C1)의 전극 사이를 연결해주는 연결 배선(W1)과, 제1 종 배터리 셀(C1)의 전극으로부터 외부 부하를 향하여 연결되는 입출력 배선(W2)을 포함할 수 있다.

제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 충, 방전 경로는 이들에 공통적인 충, 방전 경로를 형성하는 입출력 배선(W2)을 포함할 수 있고, 상기 제2 종 배터리 셀(C2)의 충, 방전 경로는, 입출력 배선(W2)에 추가적으로 연결 배선(W1)을 더 포함할 수 있다. 다시 말하면, 제1 종 배터리 셀(C1)의 충, 방전 경로 보다 제2 종 배터리 셀(C2)의 충, 방전 경로가 상대적으로 더 길게 형성될 수 있다. 이와 같은 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 배선 구조 상의 차이에 따라, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)로부터 외부 부하로 연결되는 외부 저항을 비교할 때, 제1 종 배터리 셀(C1)의 외부 저항 보다는 제2 종 배터리 셀(C2)의 외부 저항이 상대적으로 클 수 있다.

한편, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)은 외부 부하의 출력 요구에 대해 저항의 상대적인 비율에 따라 안분된 전류를 발생할 수 있으며, 상기와 같은 외부 저항의 설계에 따라, 제1 종 배터리 셀(C1)이 제2 종 배터리 셀(C2) 보다 더 많은 전류를 발생할 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 고출력의 제1 종 배터리 셀(C1)의 내부 저항은, 고용량의 제2 종 배터리 셀(C2)의 내부 저항 보다 작게 형성되며, 내부 저항에 더하여, 외부 저항에 대해서도, 제1 종 배터리 셀(C1)에 연결된 외부 저항이 제2 종 배터리 셀(C2)에 연결된 외부 저항 보다 작게 형성되므로, 내부 저항과 외부 저항을 포함하는 저항의 비율에 따라 제1 종 배터리 셀(C1)이 제2 종 배터리 셀(C2) 보다 더 많은 전류를 분담하게 된다.

본 발명에서는, 제1 종 배터리 셀(C1)에 연결된 저항과 제2 종 배터리 셀(C2)에 연결된 저항(외부 저항)을 차등적으로 설계함으로써, 제1 종 배터리 셀(C1)에서 보다 많은 전류를 분담하도록 할 수 있고, 순시적으로 요구되는 피크 로드에서 대부분의 전류를 분담하도록 함으로써, 제2 종 배터리 셀(C2)의 수명 단축을 막을 수 있고, 순시적으로 고출력의 발생이 가능하면서도 장기적으로 수명 단축을 막을 수 있는 고출력 고용량의 배터리 팩(P)이 제공될 수 있다.

상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)에 연결되는 저항(외부 저항)의 차등적인 형성은, 제1 종 배터리 셀(C1)에 연결된 입출력 배선(W2)과 제2 종 배터리 셀(C2)에 연결된 연결 배선(W1)의 저항을 차등적으로 설계함으로써 구현될 수 있다.

도 10a를 참조하면, 상기 입출력 배선(W2)의 단면적(예를 들어, 두께 tw2)은, 상기 연결 배선(W1)의 단면적(예를 들어, 두께 tw1) 보다 크게 형성될 수 있으며, 이에 따라, 입출력 배선(W2)의 저항 보다 연결 배선(W1)의 저항이 보다 크게 형성될 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 제1 종 배터리 셀(C1)의 충, 방전 경로 보다 제2 종 배터리 셀(C2)의 충, 방전 경로가 상대적으로 길게 형성됨으로써, 제1 종 배터리 셀(C1)의 전류 부담을 늘릴 수 있으며, 이에 추가적으로, 입출력 배선(W2)과 연결 배선(W1)의 차등적인 단면적을 통하여 제1 종 배터리 셀(C1)의 전류 부담을 더 늘릴 수 있다.

도 10b를 참조하면, 입출력 배선(W2`)과 연결 배선(W1`)에 대해 차등적인 소재를 적용할 수 있다. 예를 들어, 입출력 배선(W2`)에는 제1 금속 소재를 적용하고, 연결 배선(W1`)에는 제2 금속 소재를 적용하며, 이때, 제1, 제2 금속 소재는 서로 다른 전기 전도도 내지는 저항 값을 갖는 상이한 소재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 입출력 배선(W2`)과 연결 배선(W1`)은 모두 전기 전도도가 우수한 금속 소재로 형성될 수 있으나, 상기 입출력 배선(W2`)을 형성하는 제1 금속 소재는, 연결 배선(W1`)을 형성하는 제2 금속 소재 보다 전기 전도도가 높은 소재를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 입출력 배선(W2`)은 전기 전도도가 보다 우수한 구리 소재를 포함할 수 있으며, 상기 연결 배선(W1`)은 전기 전도도가 다소 떨어지는 알루미늄이나 니켈 소재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 입출력 배선(W2`)은 구리나 구리 합금을 포함할 수 있고, 상기 연결 배선(W1`)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 니켈, 니켈 합금을 포함할 수 있다.

도 10c를 참조하면, 상기 연결 배선(W1)은 추가 저항(AR)을 포함할 수 있으며, 추가 저항(AR)을 통하여 연결 배선(W1)의 저항이 입출력 배선(W2)의 저항 보다 증가될 수 있다. 여기서, 추가 저항(AR)이란 배선 자체의 선간 저항 외에 전류의 소통을 지연시킬 수 있는 구성으로, 예를 들어, 연결 배선(W1)에 추가 저항(AR)을 더 부가하거나 또는 연결 배선(W1) 자체의 일부의 형상을 굴곡지게 형성함으로써, 추가 저항(AR)을 구현할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 입출력 배선(W2) 및 연결 배선(W1)은, 차등적인 저항을 갖는다는 것 외에, 전기적인 연결이 가능한 여하의 구조나 소재로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 상기 입출력 배선(W2) 및 연결 배선(W1)은, 금속 바와 같이 경성으로 형성될 수 있고, 또는 금속 와이어와 같이 연성으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 입출력 배선(W2) 및 연결 배선(W1)은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 전극 및 제2 종 배터리 셀(C2)의 전극 상에서, 용접, 솔더링, 와이어 본딩 등을 통하여 제1 종 배터리 셀(C1)의 전극 및 제2 종 배터리 셀(C2)의 전극 상에 결합될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)을 포함하는 배터리 팩(P)은, 버스 바(B)를 통하여 외부 부하로 연결될 수 있다. 이때, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)의 공통적인 충, 방전 경로를 형성하기 위한 입출력 배선(W2)은, 제1 종 배터리 셀(C1)의 전극과 버스 바(B) 사이를 연결해줄 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 팩(P)은 전기 차량의 구동 전원을 공급할 수 있으며, 상기 배터리 팩(P)은 서로 전기적으로 연결된 다른 배터리 팩(P)과 함께 모듈 단위를 형성하면서 다수의 배터리 팩(P)을 통하여 전기 차량의 구동 전원을 공급하기 위한 고출력 고용량의 구동 전원을 공급할 수 있다. 이때 다수의 배터리 팩(P)은, 버스 바(B)를 통하여 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 상기 버스 바(B)는, 다수의 배터리 팩(P)으로부터의 충, 방전 전류를 취합하기 위한 것으로, 각각의 배터리 팩(P)으로부터 연장되는 입출력 배선(W2)보다는 낮은 저항 내지는 우수한 전기 전도도를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 버스 바(B)의 단면적은, 입출력 배선(W2)의 단면적 보다 클 수 있고, 상기 버스 바(B)의 제3 금속 소재는, 입출력 배선(W2)의 제1 금속 소재로 보다 우수한 전기 전도도를 갖는 소재를 포함할 수 있다.

도 11에는 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈(M)은, 다수의 배터리 팩(P1,P2)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 배터리 모듈(M)은, 제1 배터리 팩(P1)과, 상기 제1 배터리 팩(P1)의 둘레를 따라 상기 제1 배터리 팩(P1)을 둘러싸도록 배열되는 다수의 제2 배터리 팩(P2)을 포함할 수 있다. 그리고, 각각의 제1, 제2 배터리 팩(P1,P2)은, 제1 종 배터리 셀(C1)과, 상기 제1 종 배터리 셀(C1)과 출력 및 용량이 서로 다른 제2 종 배터리 셀(C2)로서, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 제1 종 배터리 셀(C1)을 둘러싸도록 배열되며, 제1 종 배터리 셀(C1)과 병렬 연결되는 다수의 제2 종 배터리 셀(C2)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 모듈(M)은, 제1 배터리 팩(P1)과, 제1 배터리 팩(P1)의 둘레를 따라 제1 배터리 팩(P1)을 둘러싸는 제2 배터리 팩(P2)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 배터리 팩(P1) 및 제2 배터리 팩(P2)은 서로 동일한 구조로 형성될 수 있으며, 보다 구체적으로, 제1 배터리 팩(P1)과 제2 배터리 팩(P2)은, 각각 제1 종 배터리 셀(C1)과, 제1 종 배터리 셀(C1)을 둘러싸는 제2 종 배터리 셀(C2)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 배터리 팩(P1)과 제2 배터리 팩(P2)은, 제1 종 배터리 셀(C1)과 제2 종 배터리 셀(C2)을 포위하는 원형 단면을 가질 수 있으며, 각각 제3 직경(D3)과 제4 직경(D4)을 갖는 원형 단면을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 배터리 팩(P1)과 제2 배터리 팩(P2)은 서로 동일한 구조로 형성되며, 또한 서로 동일한 사이즈로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 배터리 팩(P1)의 제3 직경(D3)과 제2 배터리 팩(P2)의 제4 직경(D4)은 동일한 치수로 설계될 수 있다. 이와 같이, 상기 제1 배터리 팩(P1)과 제2 배터리 팩(P2)은, 동일한 구조와 동일한 형상, 그리고 동일한 사이즈로 형성될 수 있으며, 다만 그 배치 구조에서, 상기 제2 배터리 팩(P2)은, 제1 배터리 팩(P1)의 둘레를 따라 제1 배터리 팩(P1)을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 배터리 팩(P1)이 중앙 위치에 배치된다면, 제2 배터리 팩(P2)은 제1 배터리 팩(P1)을 둘러싸는 주변 위치에 배치될 수 있다. 상기 제1 배터리 팩(P1) 및 제2 배터리 팩(P2)의 구조는, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 배터리 팩(P)과 실질적으로 동일하므로, 여기서 반복적인 설명은 생략하기로 한다.

도 11을 참조하면, 제1 배터리 팩(P1)의 둘레를 따라 다수의 제2 배터리 팩(P2)이 배열될 수 있으며, 본 발명의 일 실시형태에서 제1 배터리 팩(P1)의 둘레를 따라 배치되는 제2 배터리 팩(P2)의 배열 개수는 6개일 수 있다. 이때, 상기 제1 배터리 팩(P1)의 제3 직경(D3)과 제2 배터리 팩(P2)의 제4 직경(D4)은 서로 동일한 수치로 설계될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서는, 제1 배터리 팩(P1)의 둘레를 따라 제2 배터리 팩(P2)을 조밀하게 배열할 수 있으며, 제1 배터리 팩(P1)의 둘레 방향을 따라 서로 이웃하는 제2 배터리 팩(P2)의 외주면이 서로 맞닿도록 제2 배터리 팩(P2)이 조밀하게 배열될 수 있다. 참고로, 각각의 제1, 제2 배터리 팩(P1,P2)에 구비된 제1 종 배터리 셀(C1) 및 제2 종 배터리 셀(C2)의 배치 구조에서, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레를 따라 배치된 제2 종 배터리 셀(C2)의 배열 개수는, 최소 7개 이상으로 설계될 수 있으며, 이에 따라, 제1 종 배터리 셀(C1)의 둘레 방향을 따라 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀(C2) 사이에는 갭(g)이 형성될 수 있으며, 갭(g)을 개재하여 서로 이웃한 제2 배터리 셀 사이의 열 전파 및 전기적 단락을 차단할 수 있다(도 6b 내지 도 6d 참조). 상기 제1 종 배터리 셀(C1) 및 제2 종 배터리 셀(C2)의 배치 구조와 달리, 제1 배터리 팩(P1)과 제2 배터리 팩(P2)의 배치 구조에서는, 제1 배터리 팩(P1)의 둘레 방향을 따라 서로 이웃한 제2 배터리 팩(P2) 사이에는 갭(g)이 형성되지 않고 서로 이웃한 제2 배터리 팩(P2)의 외주면은 서로 맞닿을 수 있다. 또한, 제1 배터리 팩(P1)과, 상기 제1 배터리 팩(P1)의 둘레를 따라 배열된 제2 배터리 팩(P2) 사이에도 갭(g)이 존재하지 않고, 제1 배터리 팩(P1)과 제2 배터리 팩(P2)의 외주면은 서로 맞닿을 수 있다.

상기 제1 배터리 팩(P1) 및 제1 배터리 팩(P1)의 둘레 방향을 따라 서로 이웃한 제2 배터리 팩(P2)은, 각각 팩 케이스(PC)에 의해 둘러싸여 서로 간의 열 전파 및 전기적 단락이 어느 정도 방지될 수 있으므로, 제1, 제2 배터리 팩(P1,P2) 사이와, 서로 이웃한 제2 배터리 팩(P2) 사이에는 갭(g)이 개재되지 않고, 제1, 제2 배터리 팩(P1,P2)끼리의 외주면 및 제2 배터리 팩(P2)끼리의 외주면은 서로 맞닿을 수 있다. 즉, 제1 배터리 팩(P1)의 둘레를 따라 제2 배터리 팩(P2)이 서로 맞닿도록 조밀하게 배열됨으로써, 배터리 모듈(M)의 출력 및 용량을 향상시킬 수 있다. 한편, 도 11에 도시되어 있지는 않지만, 서로 다른 제1 배터리 팩(P1) 및 제2 배터리 팩(P2)은 버스 바(B)를 통하여 서로 전기적으로 연결될 수 있으며, 서로 병렬 연결되거나 또는 직렬 연결될 수도 있다.

도 12에는 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전원 공급 장치를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전원 공급 장치는, 도 11에 도시된 바와 같은 배터리 모듈(M)을 다수 포함할 수 있으며, 다수의 배터리 모듈(M)을 포함함으로써, 전기 차량의 구동 전원을 공급할 수 있는 고출력 고용량의 전원 공급 장치를 제공할 수 있다.

도 12를 참조하면, 상기 제1 배터리 팩(P1)의 둘레를 따라 다수로 배열된 제2 배터리 팩(P2)을 포함하는 배터리 모듈(M)은, 서로 엇갈리는 위치에 배치됨으로써, 조밀한 배열을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리 모듈(M)이 제1, 제2 열(L1,L2)을 따라 배열된다면, 제1 열(L1)의 배터리 모듈(M)과 제2 열(L2)의 배터리 모듈(M)은 서로 사이 사이에 끼워지면서 조밀하게 배열될 수 있고, 공간의 낭비가 없이 컴팩트화에 유리한 구조가 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 제1 열(L1)의 배터리 모듈(M)과 제2 열(L2)의 배터리 모듈(M)은 서로 인접하는 경계에서, 제1 열(L1)의 배터리 모듈(M)의 외곽을 형성하는 제2 배터리 팩(P2)과, 제2 열(L2)의 배터리 모듈(M)의 외곽을 형성하는 제2 배터리 팩(P2)이 서로 치합되는 형태로 서로에 대해 끼워지면서, 다수의 제1 열(L1)의 배터리 모듈(M)과 제2 열(L2)의 배터리 모듈(M)이 서로 인접하도록 조밀하게 배열될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.

C1: 제1 종 배터리 셀 C2: 제2 종 배터리 셀
P: 배터리 팩 P1: 제1 배터리 팩
P2: 제2 배터리 팩 W1,W1`: 입출력 배선
W2,W2`: 연결 배선 M: 배터리 모듈
D1~D4: 제1 내지 제4 직경 g: 갭
TS: 사-공간 PC: 팩 케이스
A1: 제1 전극 조립체 A2: 제2 전극 조립체
11~14: 제1 내지 제4 극판 11a: 제1 양극기재
11b: 제1 양극활물질층 12a: 제1 음극기재
12b: 제1 음극활물질층 21a: 제2 양극기재
21b: 제2 양극활물질층 22a: 제2 음극기재
22b: 제2 음극활물질층

Claims

제1 종 배터리 셀; 및
상기 제1 종 배터리 셀과 출력 및 용량이 서로 다른 제2 종 배터리 셀로서, 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 제1 종 배터리 셀을 둘러싸도록 배열되며, 제1 종 배터리 셀과 병렬 연결된 다수의 제2 종 배터리 셀;을 포함하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀의 출력은, 상기 제2 종 배터리 셀의 출력 보다 높고,
상기 제1 종 배터리 셀의 용량은, 상기 제2 종 배터리 셀의 용량 보다 작은 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀의 출력 밀도는, 상기 제2 종 배터리 셀의 출력 밀도 보다 높고,
상기 제1 종 배터리 셀의 에너지 밀도는, 상기 제2 종 배터리 셀의 에너지 밀도 보다 낮은 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀의 내부 저항은, 상기 제2 종 배터리 셀의 내부 저항 보다 작은 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀과, 제2 종 배터리 셀은, 동일한 제1 방전 조건에서 서로 차등적인 전압 강하를 나타내는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀과, 제2 종 배터리 셀은, 동일한 제2 방전 조건에서 서로 차등적인 용량을 나타내는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀과, 제2 종 배터리 셀은, 동일한 제1 방전 조건에서 서로 차등적인 전압 강하를 나타내고,
상기 제1 종 배터리 셀과, 제2 종 배터리 셀은, 동일한 제2 방전 조건에서 서로 차등적인 용량을 나타내며,
상기 제1 방전 조건과 제2 방전 조건은, 각각 상대적으로 고율 방전과 저율 방전에 해당되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀은, 서로 마주하게 배치된 제1, 제2 극판과, 상기 제1, 제2 극판 사이에 개재된 제1 세퍼레이터를 구비하는 제1 전극 조립체를 포함하고,
상기 제2 종 배터리 셀은, 서로 마주하게 배치된 제3, 제4 극판과, 상기 제3, 제4 극판 사이에 개재된 제2 세퍼레이터를 구비하는 제2 전극 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제8항에 있어서,
상기 제1 극판은, 제1 양극기재 상에 형성된 제1 양극활물질층을 포함하고,
상기 제2 극판은, 제1 음극기재 상에 형성된 제1 음극활물질층을 포함하며,
상기 제3 극판은, 제2 양극기재 상에 형성된 제2 양극활물질층을 포함하고,
상기 제4 극판은, 제2 음극기재 상에 형성된 제2 음극활물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제9항에 있어서,
상기 제1 양극활물질층의 두께는, 상기 제2 양극활물질층의 두께 보다 얇게 형성되고,
상기 제1 음극활물질층의 두께는, 상기 제2 음극활물질층의 두께 보다 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제9항에 있어서,
상기 제1 양극활물질층의 길이는, 상기 제2 양극활물질층의 길이 보다 길게 형성되고,
상기 제1 음극활물질층의 길이는, 상기 제2 음극활물질층의 길이 보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제11항에 있어서,
상기 제1 양극활물질층의 길이 및 상기 제1 음극활물질층의 길이는, 상기 제1 전극 조립체의 권취 방향을 따르는 길이에 해당되고,
상기 제2 양극활물질층의 길이 및 상기 제2 음극활물질층의 길이는, 상기 제2 전극 조립체의 권취 방향을 따르는 길이에 해당되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 배치되는 상기 제2 종 배터리 셀의 배열 개수는, 최소 6개 이상에서 최대 9개 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제13항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 배치되는 상기 제2 종 배터리 셀의 배열 개수는, 최소 7개 이상에서 최대 9개 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제14항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 배치되는 상기 제2 종 배터리 셀의 배열 개수는, 최소 7개 이상에서 최대 8개 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀의 외주면을 따라 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀은 서로로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제16항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 이웃한 제2 종 배터리 셀의 서로 마주하는 외주면 사이에 갭이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제17항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀과, 상기 제1 종 배터리 셀을 둘러싸는 제2 종 배터리 셀 사이에도 또 다른 갭이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제18항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀의 외주면 상이면서 서로 이웃한 제2 종 배터리 셀 사이에는, 서로 이웃한 두 개의 제2 종 배터리 셀과 상기 제1 종 배터리 셀 사이 사이의 갭 및 또 다른 갭을 향하여 오목하게 수렴하는 세 부분을 포함하며, 제1 종 배터리 셀의 길이 방향을 따라 연장되는 주상의 여유 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀과 상기 제2 종 배터리 셀은, 각각 제1 직경과 제2 직경의 원형 단면을 갖는 원형 배터리 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제20항에 있어서,
상기 제1 직경은, 제2 직경과 같거나 큰 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀을 서로 전기적으로 연결해주는 연결 배선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제22항에 있어서,
상기 연결 배선은 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 배치된 제2 종 배터리 셀의 배열 개수와 동수로 마련된 다수의 연결 배선을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제23항에 있어서,
상기 다수의 연결 배선 각각은, 상기 제1 종 배터리 셀과 다수의 제2 종 배터리 셀 각각 사이의 전기적 연결을 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제24항에 있어서,
상기 다수의 연결 배선은, 상기 제1 종 배터리 셀의 전극 상에서 공통 접점을 형성하며, 제1 종 배터리 셀의 전극으로부터 방사상으로 연장되면서 다수의 제2 종 배터리 셀의 전극에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제22항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀에 연결되어 외부 부하를 향하는 충, 방전 경로를 형성하기 위한 입출력 배선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제26항에 있어서,
상기 입출력 배선은, 상기 제1 종 배터리 셀과 외부 부하 사이와, 상기 제2 종 배터리 셀과 외부 부하 사이에서 공통적인 충, 방전 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제26항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀의 충, 방전 경로는, 상기 입출력 배선을 포함하고,
상기 제2 종 배터리 셀의 충, 방전 경로는, 상기 입출력 배선에 추가적으로, 상기 연결 배선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제28항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀의 충, 방전 경로 보다, 상기 제2 종 배터리 셀의 충, 방전 경로가 상대적으로 더 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제26항에 있어서,
상기 입출력 배선 보다, 상기 연결 배선이 상대적으로 큰 저항을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제30항에 있어서,
상기 입출력 배선의 단면적은, 상기 연결 배선의 단면적 보다 넓은 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제30항에 있어서,
상기 입출력 배선 및 연결 배선은, 각각 서로 다른 제1, 제2 금속 소재를 포함하고,
상기 제1 금속 소재는, 제2 금속 소재 보다 높은 전기 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제30항에 있어서,
상기 연결 배선은, 추가 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀 및 제2 종 배터리 셀은, 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 배열된 다수의 제2 종 배터리 셀의 외주면과 연속적으로 접하면서 다수의 제2 종 배터리 셀을 연속적으로 둘러싸는 원형의 포락선(envelop) 내에 포위되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1항에 있어서,
상기 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀을 함께 수용하는 것으로, 제1 종 배터리 셀과 제2 종 배터리 셀의 길이 방향을 따라 연장되면서 원형 단면을 갖는 원기둥 형태의 셀 수용 공간을 제공하는 팩 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
제1 배터리 팩; 및
상기 제1 배터리 팩의 둘레를 따라 제1 배터리 팩을 둘러싸도록 배열된 다수의 제2 배터리 팩을 포함하는 배터리 모듈로서,
각각의 제1, 제2 배터리 팩은,
제1 종 배터리 셀; 및
상기 제1 종 배터리 셀과 출력 및 용량이 서로 다른 제2 종 배터리 셀로서, 제1 종 배터리 셀의 둘레를 따라 제1 종 배터리 셀을 둘러싸도록 배열되며, 제1 종 배터리 셀과 병렬 연결된 다수의 제2 종 배터리 셀;을 포함하는 배터리 모듈.
제36항에 있어서,
상기 제1 배터리 팩과 상기 제2 배터리 팩은, 각각 제3 직경과 제4 직경의 원형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제37항에 있어서,
상기 제3 직경과 제4 직경은 서로 동일하고,
상기 제1 배터리 팩의 둘레를 따라 배치된 제2 배터리 팩의 배열 개수는 6개인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
제36항의 배터리 모듈을 다수 포함하는 전원 공급 장치로서,
상기 배터리 모듈은 제1, 제2 열을 이루어 배열되고,
상기 제1, 제2 열의 배터리 모듈은 서로 엇갈리게 배치되며, 상기 제1, 제2 열의 배터리 모듈은, 서로 사이 사이에 끼워지며 조밀하게 배열되는 것을 특징으로 하는 전원 공급 장치.