WO2024117793A1 - 배터리 팩 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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WO2024117793A1
WO2024117793A1 PCT/KR2023/019489 KR2023019489W WO2024117793A1 WO 2024117793 A1 WO2024117793 A1 WO 2024117793A1 KR 2023019489 W KR2023019489 W KR 2023019489W WO 2024117793 A1 WO2024117793 A1 WO 2024117793A1
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WO
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outer walls
longitudinal beam
battery
battery cells
battery pack
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/019489
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English (en)
French (fr)
Inventor
신주환
이형석
전종필
Original Assignee
주식회사 엘지에너지솔루션
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Publication date
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery pack and a method of manufacturing the same, and more specifically, to a battery pack and a method of manufacturing the same that control internal temperature rise and improve safety by quickly removing heat generated inside.
  • a lithium secondary battery mainly use lithium-based oxide and carbon material as positive and negative electrode active materials, respectively.
  • a lithium secondary battery includes an electrode assembly in which positive and negative electrode plates coated with the positive and negative electrode active materials are disposed with a separator in between, and an exterior material, that is, a battery case, that seals and stores the electrode assembly together with an electrolyte.
  • a conventional battery pack includes one or more battery modules inside the pack case and a control unit that controls charging and discharging of the battery pack, such as a battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • the battery module is configured to include a plurality of battery cells inside a module case. That is, in the case of a conventional battery pack, a plurality of battery cells (secondary batteries) are stored inside a module case to form each battery module, and one or more of these battery modules are stored inside the pack case to form a battery pack.
  • pouch-type batteries have advantages in many aspects, such as being light in weight and requiring less dead space when stacked, but have weaknesses such as being vulnerable to external shocks and having somewhat poor assembly properties. . Therefore, it is common for battery packs to be manufactured by first modularizing a number of cells and then storing them inside a pack case. As a representative example, in the case of a conventional battery pack, a plurality of pouch-type battery cells are first stored inside a module case to form a battery module, and then one or more of these battery modules are stored inside the pack case.
  • conventional battery packs may be disadvantageous in terms of assembly.
  • a plurality of battery cells are modularized to form a battery module, and then the battery module is stored in a pack case. Therefore, there is a problem in that the battery pack manufacturing process becomes complicated.
  • the process and structure of forming a cell stack using stacking frames, bolts, plates, etc. can be very complex.
  • the first technical task to be achieved by the present invention is to provide a battery pack that controls internal temperature rise and improves safety by quickly removing heat generated internally.
  • the second technical task to be achieved by the present invention is to provide a method of manufacturing a battery pack with improved safety and control of internal temperature rise by quickly removing heat generated internally.
  • the present invention includes a plurality of battery cells stacked in the first direction in a vertical coordinate system defined by a first direction, a second direction, and a third direction that are perpendicular to each other; and a pack case for storing the battery cells in an internal space, wherein the pack case includes a pair of first outer walls extending in the first direction; a pair of second outer walls extending in the second direction and defining an internal space of the pack case together with the pair of first outer walls; a longitudinal beam extending between the pair of first outer walls and parallel to the first outer walls; and a bottom provided at the bottom of the first outer walls, the second outer walls, and the longitudinal beam, and a wiring structure electrically connected to the plurality of battery cells is provided on the upper part of the longitudinal beam.
  • a battery pack provided with a heat sink is provided inside the longitudinal beam.
  • the heat sink includes a passage for cooling fluid extending in the first direction.
  • an additional heat sink may be further provided in the bottom portion below the plurality of battery cells. In some embodiments, no heat sink may be provided in the bottom of the lower part of the longitudinal beam.
  • each of the battery cells includes an electrode assembly, a cover surrounding the electrode assembly, and a first cell lead protruding from one side of the cover to the top of the longitudinal beam in the second direction. can do.
  • the first cell lid includes a first portion relatively close to the cover and a second portion relatively spaced further away from the cover, and the second portion is positioned in the first direction.
  • a maximum dimension may be greater than that of the first part, and the second part may be configured as a plane perpendicular to the third direction.
  • the wiring structure includes a wiring board extending along an upper surface of the longitudinal beam and a bus bar coupled to the wiring board, and the second portion is welded to the bus bar in the third direction. It can be combined by .
  • each of the pair of first outer walls includes an outer wall body extending in the first direction; and a mesa portion protruding from the outer wall body toward neighboring battery cells, and an additional heat sink extending in the first direction may be further provided within the mesa portion.
  • the upper surface of the mesa portion is lower than the upper surface of the outer wall body and may have substantially the same height as the upper surface of the longitudinal beam.
  • the battery pack may further include an additional wiring structure on the upper surface of the mesa portion.
  • a heat sink may not be provided in the bottom of the lower portion of the mesa portion.
  • the present invention includes the steps of directly arranging a plurality of battery cells in a pack case in a vertical coordinate system defined by a first direction, a second direction, and a third direction that are perpendicular to each other; and electrically connecting cell leads protruding in the second direction of at least two neighboring battery cells among the plurality of battery cells using a bus bar, wherein the cell leads are connected using a bus bar.
  • the electrically connecting step provides a method of manufacturing a battery pack including connecting each of the cell leads to the bus bar by welding in the third direction.
  • the pack case includes a pair of first outer walls extending in the first direction; a pair of second outer walls extending in the second direction and defining an internal space of the pack case together with the pair of first outer walls; a longitudinal beam extending between the pair of first outer walls and parallel to the first outer walls; and a bottom provided at the bottom of the first outer walls, the second outer walls, and the longitudinal beam, and a wiring structure electrically connected to the plurality of battery cells is provided on the upper part of the longitudinal beam.
  • a heat sink may be provided inside the longitudinal beam.
  • an additional heat sink may be further provided in the bottom portion below the plurality of battery cells, and no heat sink may be provided in the bottom portion of the lower portion of the longitudinal beam.
  • the first cell lid includes a first portion relatively close to the cover and a second portion relatively spaced further away from the cover, and the second portion is positioned in the first direction.
  • a maximum dimension may be greater than that of the first part, and the second part may be configured as a plane perpendicular to the third direction.
  • the wiring structure includes a wiring board extending along an upper surface of the longitudinal beam; and the bus bar coupled to the wiring board.
  • each of the pair of first outer walls includes an outer wall body extending in the first direction; and a mesa portion protruding from the outer wall body toward neighboring battery cells, and an additional heat sink extending in the first direction may be further provided within the mesa portion.
  • the battery pack of the present invention has the effect of controlling internal temperature rise and improving safety by quickly removing heat generated internally.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing main parts of a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a perspective view showing the main portion of the lower case of the pack case according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a side cross-sectional view showing the main portion of the battery pack of FIG. 1 cut along line III-III'.
  • Figure 4 is a perspective view showing main parts of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a partial enlarged view showing a portion of the battery cell centered on the cell lead portion of the battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an enlarged view of a portion of the battery cell viewed in the x-direction centered on the cell lead portion of the battery cell.
  • Figure 7 is an enlarged view of a portion of the battery cell viewed from the y direction, centered on the cell lead portion of the battery cell.
  • Figure 8 is an enlarged view of a portion of the battery cell viewed in the z-direction centered on the cell lead portion of the battery cell.
  • Figure 9 is a perspective view showing a pair of neighboring battery cells electrically connected by a bus bar.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the second portions and the bus bar of FIG. 9 taken along line X-X'.
  • Figure 11 is a side cross-sectional view showing the main portion of the cross section of a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a flowchart showing a method of manufacturing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 13a and 13b are perspective views showing a method of manufacturing a battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be named a second component, and conversely, a second component may be named a first component without departing from the scope of the present invention concept.
  • a specific process sequence may be performed differently from the described sequence.
  • two processes described in succession may be performed substantially at the same time, or may be performed in an order opposite to the order in which they are described.
  • any term “and/or” includes each and every combination of one or more of the mentioned elements.
  • substrate used in this specification may refer to the substrate itself or a laminated structure including the substrate and a predetermined layer or film formed on the surface.
  • surface of the substrate may mean the exposed surface of the substrate itself, or the outer surface of a predetermined layer or film formed on the substrate.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing main parts of the battery pack 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 10 is shown as being defined in a vertical coordinate system defined by a first direction along the x-axis, a second direction along the y-axis, and a third direction along the z-axis while being perpendicular to each other, the first direction , the second direction, and the third direction are not particularly limited as long as they are relatively perpendicular to each other.
  • the battery pack 10 includes a plurality of battery cells 100 stacked in a first direction (e.g., x-axis direction) and a pack case 300 that accommodates the plurality of battery cells 100. ) includes.
  • the pack case 300 has an internal space 330 that can accommodate the plurality of battery cells 100.
  • the pack case 300 may include an upper case 310 and a lower case 320 that define the internal space 330.
  • the pack case 300 may be provided with a conductive wire that electrically connects the plurality of battery cells 100 to an external electric load.
  • the lower case 320 may have a box shape with an open top and may accommodate a plurality of battery cells 100 in the internal space 330.
  • the upper case 310 may be configured in the form of a cover that covers the upper opening of the lower case 320. In some embodiments, the upper case 310 may be configured as a box with an open bottom.
  • the pack case 300 may include plastic or metal material.
  • the pack case 300 may employ various exterior materials of battery packs known at the time of filing the present invention.
  • the battery pack 10 may further include a battery management system.
  • a battery management system (BMS) is mounted in the internal space of the pack case 300 and may be configured to generally control charging and discharging operations and data transmission and reception operations of the battery cell 100.
  • the battery management system may be provided on a pack basis rather than a module basis. More specifically, the battery management system may be configured to control the charge/discharge state, power state, and performance state of the battery cell 100 through pack voltage and pack current.
  • the battery pack 10 may further include a battery cut-off unit.
  • the battery disconnect unit (BDU) may be configured to control the electrical connection of battery cells to manage the power capacity and function of the battery pack 10.
  • the battery blocking unit may include a power relay, a current sensor, and a fuse.
  • the battery blocking unit is also provided in a pack unit rather than a module unit, and various blocking units known at the time of filing the application of the present invention may be employed.
  • the battery pack 10 may further include various battery pack components known at the time of filing the present invention.
  • the battery pack 10 according to an embodiment of the present invention may further include a manual service disconnector (MSD) that allows an operator to cut off power by manually disconnecting the service plug.
  • MSD manual service disconnector
  • Figure 2 is a perspective view showing the main portion of the lower case 320 of the pack case 300 according to an embodiment of the present invention.
  • the lower case 320 includes a pair of first outer walls 321 extending in the first direction (eg, x-axis direction).
  • the lower case 320 extends in the second direction (for example, the y-axis direction) and forms the inner space 330 of the pack case 300 together with the pair of first outer walls 321.
  • It includes a pair of second outer walls 322 defining .
  • the first outer walls 321 and the second outer walls 322 may be formed as one body.
  • the lower case 320 further includes a longitudinal beam 323 extending between the pair of first outer walls 321 and parallel to the first outer walls 321 .
  • the longitudinal beam 323 may extend in the first direction (eg, x-axis direction) and meet the pair of second outer walls 322.
  • the longitudinal beam 323 may be formed integrally with the second outer walls 322.
  • the longitudinal beam 323 may have a mesa structure.
  • the top surface of the longitudinal beam 323 may be lower than the top surface of the second outer walls 322.
  • the sidewall of the longitudinal beam 323 may extend obliquely downward with respect to its upper surface.
  • the sidewall of the longitudinal beam 323 may extend perpendicular to its upper surface.
  • the sidewall of the longitudinal beam 323 may be configured to correspond to the edge shape of the neighboring battery cell 100.
  • the lower case 320 may include two or more longitudinal beams 323.
  • the pack case 300 may include two or more longitudinal beams 323.
  • the two neighboring longitudinal beams 323 form an internal space 330 in which battery cells 100 (see FIG. 1) can be accommodated. can be defined.
  • FIG. 3 is a side cross-sectional view showing the main portion of the battery pack 10 of FIG. 1 cut along line III-III'.
  • each of the pair of first outer walls 321 includes an outer wall body 3211 extending in the first direction (for example, the x-axis direction) and an outer wall body 3211 It may include a mesa portion 3212 protruding from the outer wall body 3211 toward the neighboring battery cells 100.
  • the mesa portion 3212 may extend in the first direction (eg, x-axis direction) and meet the pair of second outer walls 322. In some embodiments, the mesa portion 3212 may be formed integrally with the outer wall body 3211 and/or the second outer walls 322.
  • the upper surface of the mesa portion 3212 may be lower than the upper surface of the second outer walls 322.
  • the top surface of the mesa portion 3212 may be coplanar with the top surface of the longitudinal beam 323.
  • the width of the upper surface of the mesa portion 3212 may be narrower than the width of the upper surface of the longitudinal beam 323.
  • the sidewall of the mesa portion 3212 may extend obliquely downward with respect to its upper surface. In some other embodiments, the sidewall of the mesa portion 3212 may extend perpendicular to its upper surface. In some embodiments, the sidewall of the mesa portion 3212 may be configured to correspond to the edge shape of the neighboring battery cell 100.
  • a wiring structure 350 may be provided on the upper surface of the longitudinal beam 323.
  • the wiring structure 350 may be any structure that electrically connects the battery cells 100.
  • the wiring structure 350 may include a wiring board 352 extending in the first direction (eg, x-axis direction) along the longitudinal beam 323.
  • the wiring board 352 may include an insulating layer and arbitrary conductive lines formed on the insulating layer.
  • the wiring structure 350 may further include bus bars 200 on the wiring board 352.
  • the bus bar 200 may be any conductor that electrically connects two neighboring battery cells 100 in the first direction (eg, x-axis direction). This will be explained in more detail later.
  • a heat sink 3251 penetrating the longitudinal beam 323 in the first direction (eg, x-axis direction) may be provided within the longitudinal beam 323.
  • the heat sink 3251 may be a passage for cooling fluid extending in the first direction (eg, x-axis direction).
  • the cooling fluid may be liquid, gas, or a mixture thereof.
  • the cooling fluid may be water, air, alcohol, nitrogen, etc., but is not limited to these.
  • the cell leads 110 of the battery cells 100 are coupled to the bus bar 200 at the top of the longitudinal beam 323, and the cell leads 110 are connected to the bus bar 200 during operation of the battery pack 10.
  • a large amount of heat is generated where the field 110 and the bus bar 200 are combined. Therefore, the heat sink 3251 penetrating the inside of the longitudinal beam 323 can quickly remove a large amount of generated heat, thereby controlling the temperature rise of the battery pack 10 and ensuring the safety of the battery pack 10. can be improved.
  • the heat sink 3251 may be connected to be in fluid communication with a cooling fluid reservoir provided outside the pack case 300.
  • the cooling fluid reservoir may be configured to cool fluid stored therein.
  • the wiring structure 350 may also be provided on the upper surface of the mesa portion 3212 of the first outer walls 321.
  • the wiring structure 350 on the mesa portion 3212 may also include a wiring board 352 and bus bars 200.
  • a heat sink 3252 penetrating the mesa portion 3212 in the first direction may be provided within the mesa portion 3212.
  • the heat sink 3252 may be a passage for cooling fluid extending in the first direction (eg, x-axis direction).
  • the cooling fluid may be liquid, gas, or a mixture thereof.
  • the cooling fluid may be water, air, alcohol, nitrogen, etc., but is not limited to these.
  • the cell leads 110 of the battery cells 100 are coupled to the bus bar 200 at the top of the mesa portion 3212, and the cell leads 110 are connected to the bus bar 200 during operation of the battery pack 10.
  • a large amount of heat is generated where (110) and the bus bar (200) are combined. Therefore, the heat sink 3252 penetrating the inside of the mesa portion 3212 can quickly remove a large amount of generated heat, thereby controlling the temperature rise of the battery pack 10 and ensuring the safety of the battery pack 10. It can be improved.
  • the heat sink 3252 may be connected to be in fluid communication with a cooling fluid reservoir provided outside the pack case 300.
  • the cooling fluid reservoir may be configured to cool fluid stored therein.
  • the lower case 320 further includes a bottom 326.
  • the bottom portion 326 is provided at the lower portion of the pair of first outer walls 321, the pair of second outer walls 322, and the longitudinal beam 323.
  • the bottom portion 326 includes one or more of the pair of first exterior walls 321, the pair of second exterior walls 322, and the longitudinal beam 323. It can be composed as a whole.
  • an additional heat sink 3253 may be further provided in the bottom portion 326 below the battery cells 100.
  • the additional heat sink 3253 may be a cooling fluid passage extending in the first direction (eg, x-axis direction).
  • the cooling fluid may be liquid, gas, or a mixture thereof.
  • the cooling fluid may be water, air, alcohol, nitrogen, etc., but is not limited to these.
  • the additional heat sink 3253 can quickly remove heat generated during charging and discharging of the battery cells 100, thereby controlling the temperature rise of the battery pack 10 and improving the safety of the battery pack 10. You can do it.
  • no heat sink may be provided in the bottom 326 of the lower part of the longitudinal beam 323. In some embodiments, a heat sink may not be provided in the bottom portion 326 below the mesa portion 3212.
  • Figure 4 is a perspective view showing main parts of the battery cell 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery cell 100 includes an electrode assembly 101, a cover 105 surrounding the electrode assembly 101, and a battery cell 100 extending from one side of the cover 105 in the second direction (e.g. , y direction) and includes a cell lead 110 protruding.
  • the battery cell 100 may be a pouch-type battery cell, but the present invention is not limited thereto. In some embodiments, the battery cell 100 may be a prismatic battery cell.
  • the battery cell 100 has a thin plate-shaped body and may preferably have a pouch cell structure.
  • the pouch cell may have a structure in which an anode, a separator, and a cathode are alternately stacked to form the electrode assembly 101, and an electrode tab is drawn out at least on one side and connected to the cell lead 110.
  • the positive and negative electrodes can be manufactured by applying a slurry of electrode active material, binder resin, conductive agent, and other additives to at least one side of the current collector.
  • a typical positive electrode active material such as a lithium-containing transition metal oxide may be used, and in the case of the negative electrode, lithium metal, carbon material, and a metal compound that can occlude and release lithium ions, or a mixture thereof.
  • Common anode active materials such as can be used.
  • a typical porous polymer film used in lithium secondary batteries can be used as the separator.
  • the electrolyte solution contained in the cover 105 together with the electrode assembly 101 may be a typical electrolyte solution for lithium secondary batteries.
  • the cover 105 is made of a sheet material and has a receiving portion for accommodating the electrode assembly 101.
  • the cover 105 is formed by combining a first case and a second case, which are formed by processing a sheet material into a predetermined shape.
  • the sheet material that makes up the cover 105 includes an outermost outer resin layer made of an insulating material such as polyethylene terephthalate (PET) or nylon, and a material that maintains mechanical strength and prevents moisture and oxygen from penetrating. It consists of a multi-layer structure in which a metal layer made of aluminum and an internal resin layer made of a polyolefin-based material that has heat adhesive properties and serves as a sealing material are laminated.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the sheet material forming the cover 105 may have a predetermined adhesive resin layer interposed between the inner resin layer and the metal layer, and the outer resin layer and the metal layer, as needed.
  • the adhesive resin layer is for smooth adhesion between different materials and is formed as a single layer or multilayer.
  • the material is usually polyolefin resin, or polyurethane resin can be used for smooth processing, and mixtures of these can also be employed. .
  • the battery cell 100 has two main surfaces S1 and S2 perpendicular to the first direction (eg, x direction). That is, the battery cell 100 may have a first main surface S1 and a second main surface S2 that extend along the yz plane of FIG. 4 and are parallel to each other.
  • FIG. 5 is an enlarged view of a portion of the battery cell 100 centered on the cell lead 110 of the battery cell 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the cell lead 110 protrudes from one side of the cover 105 in the second direction (e.g., y-axis direction) and includes a first part 111 and a second part 112. Includes.
  • the first part 111 may be located relatively closer to the cover 105 than the second part 112.
  • the second portion 112 may be the leading edge of the cell lead 110 in the second direction.
  • the first part 111 and the second part 112 may be electrically connected to each other. In some embodiments, the first part 111 and the second part 112 may be in direct contact with each other, but the present invention is not limited thereto. In some embodiments, the first part 111 and the second part 112 may be integrated.
  • the first part 111 may have a flat plate shape with a main plane being a plane perpendicular to the first direction (eg, x-axis direction).
  • the second part 112 may be configured as a plane perpendicular to the third direction (eg, z-axis direction).
  • the fact that the second part 112 is composed of a plane perpendicular to the third direction means that the upper and lower surfaces of the second part 112 are perpendicular to the third direction and are within the upper and lower surfaces. This means that it does not include through holes.
  • the upper and lower surfaces of the second portion 112 may be perpendicular to the third direction and may not include through holes in the upper and lower surfaces.
  • the upper and lower surfaces of the second portion 112 may be perpendicular to the third direction and may include through holes in the upper and lower surfaces.
  • FIG. 6 is an enlarged view of a portion of the battery cell 100 viewed in the x direction, centered on the cell lead 110 of the battery cell 100.
  • the first portion 111 of the cell lead 110 has a first upper surface 111a and a first lower surface 111b. Additionally, the second portion 112 of the cell lead 110 has a second upper surface 112a and a second lower surface 112b.
  • 'top' and 'bottom' are relative concepts, and the thing located relatively above can be defined as 'top', and the thing located relatively below can be defined as 'bottom', and one of them is called 'top' and the other is 'bottom'. It can also be defined as ‘if you do it’.
  • a center line CL may be defined for the first portion 111.
  • the center line CL is a straight line in the second direction (eg, y-axis direction) that divides the first portion 111 into two in the third direction (eg, z-axis direction).
  • the center line CL may be located between the second upper surface 112a and the second lower surface 112b of the second portion 112.
  • the first part 111 has a first dimension H1 and the second part 112 has a second dimension H2 that is smaller than the first dimension H1.
  • the second dimension H2 may be, for example, about 0.5% to about 50% of the first dimension H1.
  • the second dimension (H2) is about 0.5% to about 50%, about 1% to about 48%, about 1.5% to about 45%, about 2% of the first dimension (H1).
  • the mechanical strength of the second part 112 may be insufficient and may be easily damaged. If the second dimension H2 is too large compared to the first dimension H1, the weight of the battery cell 100 may unnecessarily increase.
  • FIG. 7 is an enlarged view of a portion of the battery cell 100 viewed from the y direction, centered on the cell lead 110 of the battery cell 100.
  • the first portion 111 of the cell lead 110 in a first direction has a first maximum dimension d1
  • the second portion 112 of has a second maximum dimension d2.
  • the second maximum dimension d2 is larger than the first maximum dimension d1.
  • the second maximum dimension d2 may be about 2 to about 20 times the first maximum dimension d1.
  • the second maximum dimension d2 is about 2 times to about 20 times, about 2.5 times to about 19.5 times, about 3 times to about 19 times, about 3.5 times to about 18.5 times, about 4 times to about 18 times, about 4.5 times to about 17.5 times, about 5 times to about 17 times, about 5.5 times to about 16.5 times, about 6 times to about 16 times, about 6.5 times to about 15.5 times, about 7 times to about 15 times, about 7.5 times to about 14.5 times, about 8 times to about 14 times, about 8.5 times to about 13.5 times, about 9 times to about 13 times, about 9.5 times to about 12.5 times, about 10 times to about 12 times, about 10.5 times to about 11.5 times, or between any two of these values.
  • the second maximum dimension d2 is too small compared to the first maximum dimension d1, it may not be easy to weld the second portion 112 with a bus bar, which will be described later. If the second maximum dimension (d2) is too large compared to the first maximum dimension (d1), the thickness of the battery cell 100 in the first direction (for example, x-axis direction) increases excessively, thereby reducing the energy density. may deteriorate.
  • the second maximum dimension d2 of the second portion 112 in the first direction is greater than or equal to the first main surface S1 of the battery cell 100.
  • the second main surface (S2) may be larger than the cell thickness (d3) defined between.
  • the second maximum dimension d2 of the second portion 112 in the first direction is the first main surface of the battery cell 100 ( It may be smaller than the cell thickness d3 defined between S1) and the second main surface S2.
  • FIG. 8 is an enlarged view of a portion of the battery cell 100 viewed in the z direction, centered on the cell lead 110 of the battery cell 100.
  • the projection of the second portion 112 on a plane (e.g., xy plane) perpendicular to the third direction (e.g., z-axis direction) may have a circular shape.
  • the projection of the second portion 112 on the xy plane may have an oval, a polygon (eg, a square, a pentagon, a hexagon, etc.), or any other shape other than a circle.
  • the second portion 112 when the projection is circular, may have the shape of a cylinder or truncated cone. When the projection is a polygon, the second portion 112 may have the shape of a polygonal prism or polygonal pyramid.
  • the projected area of the second part 112 may be about 2 to about 20 times the projected area of the first part 111. In some embodiments, the projected area of the second portion 112 is about 2 to about 20 times, about 2.5 to about 19 times, or about 3 times the projection area of the first portion 111. to about 18 times, about 3.5 times to about 17 times, about 4 times to about 16 times, about 4.5 times to about 15 times, about 5 times to about 14 times, about 5.5 times to about 13 times, about 6 times to about 12 times, about 6.5 times to about 11 times, about 7 times to about 10 times, about 7.5 times to about 9 times, or between any two of these values.
  • the projected area of the second part 112 is too small compared to the projected area of the first part 111, welding the bus bar and the second part 112, which will be described later, may not be easy. If the projected area of the second part 112 is too large compared to the projected area of the first part 111, the weight of the battery cell 100 may unnecessarily increase.
  • the battery cells 100 are stored in the pack case 300 because the second portion 112 of the cell lead 110 has a planar shape perpendicular to the third direction (for example, z-axis direction). ), it is possible to electrically interconnect them. Therefore, battery packs according to embodiments of the present invention can be manufactured inexpensively due to a simple number of parts, have excellent productivity, and have low risk of product failure.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a pair of neighboring battery cells 100_1 and 100_2 electrically connected by the bus bar 200.
  • the cell lead 110_1 of the first battery cell 100_1 includes a first part 111_1 and a second part 112_1, and the cell lead 110_2 of the second battery cell 100_2 includes a first part (111_2) and a second part (112_2).
  • the cell lead 110_1 of the first battery cell 100_1 and the cell lead 110_2 of the second battery cell 100_2 may be electrically connected by a bus bar 200.
  • the second part 112_1 of the first battery cell 100_1 and the second part 112_2 of the second battery cell 100_2 may be electrically connected to the bus bar 200.
  • the cell lead 110_1 of the first battery cell 100_1 and the cell lead 110_2 of the second battery cell 100_2, which are electrically connected by the bus bar 200, may have the same polarity or may have different polarities. It may have polarity.
  • the bus bar 200 may be arranged to extend in a first direction (for example, the It may be configured to contact the lower surfaces of each of the two parts 112_2.
  • the bus bar 200 may have a strip shape extending in a first direction.
  • the flat surface of the bus bar 200 is aligned with the second part 112_1 of the first battery cell 100_1 and the second part 112_2 of the second battery cell 100_2 in a third direction (for example For example, it can be faced in the z-axis direction).
  • the bus bar 200 may be provided on a wiring board 352 disposed on top of the longitudinal beam 323, as described with reference to FIGS. 2 and 3. In some embodiments, the bus bar 200 may be provided on the wiring board 352 disposed on the mesa portion 3212, as described with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the cell lead 110_1 of the first battery cell 100_1 and the cell lead 110_2 of the second battery cell 100_2 may extend to the top of the longitudinal beam 323.
  • the cell lead 110_1 of the first battery cell 100_1 and the cell lead 110_2 of the second battery cell 100_2 are electrically connected to the bus bar 200 at the top of the longitudinal beam 323. It can be connected to .
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the second portions 112_1 and 112_2 and the bus bar 200 of FIG. 9 taken along the line X-X'.
  • the bus bar 200 may have a recess R concave in a third direction (for example, z-axis direction) at a portion overlapping the second portions 112_1 and 112_2. .
  • the recess R may be created as a result of welding the bus bar 200 and the second parts 112_1 and 112_2 in a third direction.
  • the recess R is a result of the contact area between the bus bar 200 and the second parts 112_1 and 112_2 being partially melted and solidified by welding, in some cases, melting and solidification may occur. It may appear as a trace of .
  • the recess (R) is shown to be formed continuously with the flat surface of the bus bar 200, but in some cases, a slight ridge may be formed around the recess (R).
  • the recess R may not be identified as a clear interface.
  • Figure 11 is a side cross-sectional view showing the main portion of the cross section of the battery pack 10 according to another embodiment of the present invention.
  • an additional heat sink may also be provided within the bottom portion 326 of the lower portion of the longitudinal beam 323.
  • an additional heat sink may also be provided in the bottom portion 326 below the mesa portion 3212.
  • Figure 12 is a flowchart showing a manufacturing method of the battery pack 10 according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 13a and 13b are perspective views showing a method of manufacturing the battery pack 10 according to an embodiment of the present invention.
  • a plurality of battery cells 100 can be directly placed in the pack case 300 (S10).
  • placing the plurality of battery cells 100 directly in the pack case 300 means placing the plurality of battery cells 100 in the pack case 300 without configuring them as modules.
  • the plurality of battery cells 100 may be individually disposed in the pack case 300 one by one. In some other embodiments, two or more of the plurality of battery cells 100 may be stacked and then placed in the pack case 300.
  • the method of placing the battery cells 100 in the pack case 300 is not particularly limited, and the battery cells 100 may be placed in the pack case 300 by any known method. Since the configuration of the pack case 300 has been described with reference to FIGS. 2 and 3, detailed description will be omitted here. In addition, since the specific configuration of each battery cell 100 has been described with reference to FIGS. 4 to 10, detailed description will be omitted here.
  • the cell leads 110_1 and 110_2 protruding in the second direction (e.g., y-axis direction) of the two neighboring battery cells 100 are electrically connected to the bus bar 200.
  • the cell leads 110_1 and 110_2 may be connected to the bus bar 200 by welding in a third direction (eg, z-axis direction).
  • the bus bar 200 may already be disposed in the pack case 300 before the plurality of battery cells 100 are disposed in the pack case 300. In some embodiments, the bus bar 200 may be disposed on the cell leads 110_1 and 110_2 after the plurality of battery cells 100 are disposed in the pack case 300. Thereafter, the bus bar 200 may be welded to the cell leads 110_1 and 110_2.
  • the welding method may be any known method and is not particularly limited.
  • the battery cells 100 are stored in the pack case 300 because the second portion 112 of the cell lead 110 has a planar shape perpendicular to the third direction (for example, z-axis direction). ), it is possible to electrically interconnect them. Therefore, battery packs according to embodiments of the present invention can be manufactured inexpensively due to a simple number of parts, have excellent productivity, and have low risk of product failure.

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Abstract

서로 수직하는 제 1 방향, 제 2 방향, 및 제 3 방향으로 정의되는 수직 좌표계에서, 상기 제 1 방향으로 적층된 복수의 배터리 셀들; 및 내부 공간에 상기 배터리 셀들을 수납하는 팩 케이스를 포함하고, 상기 팩 케이스는 상기 제 1 방향으로 연장되는 한 쌍의 제 1 외벽들; 상기 제 2 방향으로 연장되며 상기 한 쌍의 제 1 외벽들과 함께 상기 팩 케이스의 내부 공간을 정의하는 한 쌍의 제 2 외벽들; 상기 한 쌍의 제 1 외벽들 사이에서 상기 제 1 외벽들과 평행하게 연장되는 종방향 빔(longitudinal beam); 및 상기 제 1 외벽들, 상기 제 2 외벽들, 및 상기 종방향 빔의 하부에 제공되는 바닥부를 포함하고, 상기 종방향 빔의 상부에는 상기 복수의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는 배선 구조물이 제공되고, 상기 종방향 빔의 내부에는 히트 싱크(heat sink)가 제공된 배터리 팩이 제공된다.

Description

배터리 팩 및 그의 제조 방법
본 발명은 배터리 팩 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 내부에서 발생된 열을 신속하게 제거함으로써 내부 온도 상승을 통제하고 안전성이 향상된 배터리 팩 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2022.12.2 자 한국 특허 출원 제10-2022-0167136호 및 2023.3.23 자 한국 특허 출원 제10-2023-0038228호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원들의 문헌들에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
각종 모바일 기기와 전기 자동차, 에너지 저장 시스템(ESS) 등에 대한 기술 개발과 수요가 크게 증가함에 따라, 에너지원으로서의 이차 전지에 대한 관심과 수요가 급격히 증가하고 있다. 종래 이차 전지로서 니켈카드뮴 전지 또는 니켈수소 전지 등이 많이 사용되었으나, 최근에는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충전 및 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 리튬 이차 전지가 많이 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
최근에는 전기 자동차나 에너지 저장 시스템과 같은 중대형 장치에 구동용이나 에너지 저장용으로 배터리 팩이 널리 사용되고 있다. 종래 배터리 팩은, 팩 케이스 내부에 하나 이상의 배터리 모듈과 배터리 팩의 충방전을 제어하는 제어 유닛, 이를테면 BMS(battery management system)를 포함한다. 여기서, 배터리 모듈은, 모듈 케이스의 내부에 다수의 배터리 셀을 포함하는 형태로 구성된다. 즉, 종래 배터리 팩의 경우, 다수의 배터리 셀(이차 전지)이 모듈 케이스 내부에 수납되어 각각의 배터리 모듈을 구성하고, 이러한 배터리 모듈이 하나 이상 팩 케이스 내부에 수납되어 배터리 팩을 구성한다.
특히, 파우치형 전지의 경우, 무게가 가볍고, 적층 시 데드 스페이스(dead space)가 적다는 등의 여러 측면에서 장점을 갖고 있지만, 외부의 충격에 취약하고, 조립성이 다소 떨어지는 등의 취약점이 있다. 따라서, 다수의 셀을 먼저 모듈화시킨 후, 팩 케이스의 내부에 수납되는 형태로 배터리 팩이 제조되는 것이 일반적이다. 대표적인 예로서, 종래 배터리 팩의 경우, 다수의 파우치형 배터리 셀을 먼저 모듈 케이스 내부에 수납하여 배터리 모듈을 구성한 후, 이러한 배터리 모듈을 하나 이상 팩 케이스의 내부에 수납하는 형태로 구성된다.
하지만, 이와 같은 종래 배터리 팩의 경우, 에너지 밀도 측면에서 불리할 수 있다. 대표적으로, 다수의 배터리 셀을 모듈 케이스 내부에 수납하여 모듈화시키는 과정에서, 모듈 케이스 또는 적층용 프레임 등 여러 구성요소로 인해 배터리 팩의 부피가 불필요하게 증가하거나 배터리 셀이 차지하는 공간이 줄어들 수 있다. 더욱이, 모듈 케이스나 적층용 프레임 등의 구성요소 자체가 차지하는 공간은 물론이고, 이러한 구성요소들에 대한 조립 공차를 확보하기 위해 배터리 셀의 수납 공간이 줄어들 수 있다. 따라서, 종래 배터리 팩의 경우, 에너지 밀도를 높이는 데 한계가 생길 수 있다.
또한, 종래 배터리 팩의 경우, 조립성 측면에서도 불리할 수 있다. 특히, 배터리 팩을 제조하기 위해서는, 먼저 다수의 배터리 셀을 모듈화시켜 배터리 모듈을 구성한 후, 배터리 모듈을 팩 케이스에 수납하는 과정을 거치게 되므로, 배터리 팩의 제조 공정이 복잡해지는 문제가 있다. 더욱이, 상기 선행문헌에 개시된 바와 같이, 적층용 프레임 및 볼트, 플레이트 등을 이용하여 셀 적층체를 형성하는 공정 및 구조가 매우 복잡할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 내부에서 발생된 열을 신속하게 제거함으로써 내부 온도 상승을 통제하고 안전성이 향상된 배터리 팩을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 내부에서 발생된 열을 신속하게 제거함으로써 내부 온도 상승을 통제하고 안전성이 향상된 배터리 팩의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 서로 수직하는 제 1 방향, 제 2 방향, 및 제 3 방향으로 정의되는 수직 좌표계에서, 상기 제 1 방향으로 적층된 복수의 배터리 셀들; 및 내부 공간에 상기 배터리 셀들을 수납하는 팩 케이스를 포함하고, 상기 팩 케이스는 상기 제 1 방향으로 연장되는 한 쌍의 제 1 외벽들; 상기 제 2 방향으로 연장되며 상기 한 쌍의 제 1 외벽들과 함께 상기 팩 케이스의 내부 공간을 정의하는 한 쌍의 제 2 외벽들; 상기 한 쌍의 제 1 외벽들 사이에서 상기 제 1 외벽들과 평행하게 연장되는 종방향 빔(longitudinal beam); 및 상기 제 1 외벽들, 상기 제 2 외벽들, 및 상기 종방향 빔의 하부에 제공되는 바닥부를 포함하고, 상기 종방향 빔의 상부에는 상기 복수의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는 배선 구조물이 제공되고, 상기 종방향 빔의 내부에는 히트 싱크(heat sink)가 제공된 배터리 팩을 제공한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 히트 싱크는 상기 제 1 방향으로 연장되는 냉각 유체의 통로를 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀들의 하부의 상기 바닥부 내에 추가적인 히트 싱크가 더 제공될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 종방향 빔의 하부의 바닥부 내에는 히트 싱크가 제공되지 않을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 배터리 셀들의 각각은 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 둘러싸는 커버, 및 상기 커버의 일측으로부터 상기 제 2 방향으로 상기 종방향 빔의 상부까지 돌출된 제 1 셀 리드를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 셀 리드는 상대적으로 상기 커버에 가까운 제 1 부분 및 상대적으로 상기 커버로부터 더 멀리 이격된 제 2 부분을 포함하고, 상기 제 1 방향에 있어서 상기 제 2 부분의 최대 치수가 상기 제 1 부분의 최대 치수보다 더 크고, 상기 제 2 부분은 상기 제 3 방향에 수직인 평면으로 구성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 배선 구조물은 상기 종방향 빔의 상면을 따라 연장되는 배선 기판 및 상기 배선 기판 상에 결합된 버스바를 포함하고, 상기 제 2 부분은 상기 버스바와 상기 제 3 방향의 용접에 의하여 결합될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 한 쌍의 제 1 외벽들의 각각은 상기 제 1 방향으로 연장되는 외벽 본체; 및 이웃하는 배터리 셀들을 향하여 상기 외벽 본체로부터 돌출된 메사(mesa)부를 포함하고, 상기 메사부 내에 상기 제 1 방향으로 연장되는 추가적인 히트 싱크가 더 제공될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 메사부의 상부 표면은 상기 외벽 본체의 상부 표면보다 낮고, 상기 종방향 빔의 상부 표면과 실질적으로 동일한 높이를 가질 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 배터리 팩은 상기 메사부의 상부 표면에 추가적인 배선 구조물을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 메사부의 하부의 바닥부 내에는 히트 싱크가 제공되지 않을 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 서로 수직하는 제 1 방향, 제 2 방향, 및 제 3 방향으로 정의되는 수직 좌표계에서, 복수의 배터리 셀들을 직접 팩 케이스 내에 배치하는 단계; 및 상기 복수의 배터리 셀들 중 이웃하는 적어도 두 개의 배터리 셀들의 상기 제 2 방향으로 돌출된 셀 리드들을 버스바(bus bar)를 이용하여 전기적으로 연결하는 단계를 포함하고, 상기 셀 리드들을 버스바를 이용하여 전기적으로 연결하는 단계는 상기 셀 리드들의 각각을 상기 버스바와 상기 제 3 방향으로 용접하여 연결하는 단계를 포함하는 배터리 팩의 제조 방법을 제공한다. 이때, 상기 팩 케이스는 상기 제 1 방향으로 연장되는 한 쌍의 제 1 외벽들; 상기 제 2 방향으로 연장되며 상기 한 쌍의 제 1 외벽들과 함께 상기 팩 케이스의 내부 공간을 정의하는 한 쌍의 제 2 외벽들; 상기 한 쌍의 제 1 외벽들 사이에서 상기 제 1 외벽들과 평행하게 연장되는 종방향 빔(longitudinal beam); 및 상기 제 1 외벽들, 상기 제 2 외벽들, 및 상기 종방향 빔의 하부에 제공되는 바닥부를 포함하고, 상기 종방향 빔의 상부에는 상기 복수의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는 배선 구조물이 제공되고, 상기 종방향 빔의 내부에는 히트 싱크(heat sink)가 제공될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀들의 하부의 상기 바닥부 내에 추가적인 히트 싱크가 더 제공되고, 상기 종방향 빔의 하부의 바닥부 내에는 히트 싱크가 제공되지 않을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 셀 리드는 상대적으로 상기 커버에 가까운 제 1 부분 및 상대적으로 상기 커버로부터 더 멀리 이격된 제 2 부분을 포함하고, 상기 제 1 방향에 있어서 상기 제 2 부분의 최대 치수가 상기 제 1 부분의 최대 치수보다 더 크고, 상기 제 2 부분은 상기 제 3 방향에 수직인 평면으로 구성될 수 있다. 상기 배선 구조물은 상기 종방향 빔의 상면을 따라 연장되는 배선 기판; 및 상기 배선 기판 상에 결합된 상기 버스바를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 한 쌍의 제 1 외벽들의 각각은 상기 제 1 방향으로 연장되는 외벽 본체; 및 이웃하는 배터리 셀들을 향하여 상기 외벽 본체로부터 돌출된 메사(mesa)부를 포함하고, 상기 메사부 내에 상기 제 1 방향으로 연장되는 추가적인 히트 싱크가 더 제공될 수 있다.
본 발명의 배터리 팩은 내부에서 발생된 열을 신속하게 제거함으로써 내부 온도 상승을 통제하고 안전성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 요부를 나타낸 분리 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 팩 케이스의 하부 케이스의 요부를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 배터리 팩을 III-III' 선을 따라 절개한 단면의 요부를 나타낸 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 요부를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 셀 리드 부분을 중심으로 상기 배터리 셀의 일부를 도시한 부분 확대도이다.
도 6은 상기 배터리 셀의 셀 리드 부분을 중심으로 상기 배터리 셀의 일부를 x 방향에서 바라본 부분 확대도이다.
도 7은 상기 배터리 셀의 셀 리드 부분을 중심으로 상기 배터리 셀의 일부를 y 방향에서 바라본 부분 확대도이다.
도 8은 상기 배터리 셀의 셀 리드 부분을 중심으로 상기 배터리 셀의 일부를 z 방향에서 바라본 부분 확대도이다.
도 9는 버스바에 의하여 전기적으로 연결된 이웃하는 한 쌍의 배터리 셀들을 나타낸 사시도이다.
도 10은 도 9의 제 2 부분들 및 버스바를 X-X' 선을 따라 절개한 단면을 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 단면의 요부를 나타낸 측단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 제조 방법을 나타낸 사시도들이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 개념의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명 개념의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명 개념의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명 개념의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명 개념을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명 개념은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명 개념의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 반대로 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명 개념을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "갖는다" 등의 표현은 명세서에 기재된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
첨부 도면에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조 과정에서 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 여기에 사용되는 모든 용어 "및/또는"은 언급된 구성 요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어 "기판"은 기판 그 자체, 또는 기판과 그 표면에 형성된 소정의 층 또는 막 등을 포함하는 적층 구조체를 의미할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 "기판의 표면"이라 함은 기판 그 자체의 노출 표면, 또는 기판 위에 형성된 소정의 층 또는 막 등의 외측 표면을 의미할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 요부를 나타낸 분리 사시도이다. 도 1에서는 상기 배터리 팩(10)이 서로 수직하면서 x축을 따르는 제 1 방향, y축을 따르는 제 2 방향, 및 z축을 따르는 제 3 방향으로 정의되는 수직 좌표계에서 정의되는 것으로 도시되었지만, 상기 제 1 방향, 제 2 방향, 및 제 3 방향은 서로 상대적으로 수직이면 되고 특별히 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 상기 배터리 팩(10)은 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)으로 적층된 복수의 배터리 셀들(100) 및 상기 복수의 배터리 셀들(100)을 수납하는 팩 케이스(300)를 포함한다.
상기 팩 케이스(300)는 상기 복수의 배터리 셀들(100)을 수납할 수 있는 내부 공간(330)을 가진다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 팩 케이스(300)는 상기 내부 공간(330)을 정의하는 상부 케이스(310) 및 하부 케이스(320)를 포함할 수 있다.
도 1에는 명시적으로 도시되지 않았으나, 상기 팩 케이스(300)는 상기 복수의 배터리 셀들(100)을 외부의 전기 부하와 전기적으로 연결하는 도선이 배설되어 있을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 하부 케이스(320)는 상단이 개방된 박스 형태를 포함할 수 있으며 상기 내부 공간(330)에 다수의 배터리 셀들(100)을 수납할 수 있다. 그리고, 상부 케이스(310)는 하부 케이스(320)의 상단 개방부를 커버하는 덮개 형태로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상부 케이스(310)는, 하단이 개방된 박스 형태로 구성될 수도 있다.
상기 팩 케이스(300)는, 플라스틱 또는 금속 재질을 포함할 수 있다. 그 밖에도, 상기 팩 케이스(300)는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩의 다양한 외장재 재질을 채용할 수 있다.
상기 배터리 팩(10)은 배터리 관리 시스템을 더 포함할 수 있다. 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)은, 팩 케이스(300)의 내부 공간에 장착되며, 배터리 셀(100)의 충방전 동작이나 데이터 송수신 동작 등을 전반적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 배터리 관리 시스템은 모듈 단위가 아닌 팩 단위에 제공될 수 있다. 보다 구체적으로는, 배터리 관리 시스템은, 팩 전압 및 팩 전류를 통해 배터리 셀(100)의 충방전 상태, 전력 상태 및 성능 상태 등을 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 배터리 팩(10)은 배터리 차단 유닛을 더 포함할 수 있다. 상기 배터리 차단 유닛(battery disconnect unit, BDU)은, 배터리 팩(10)의 전력 용량과 기능을 관리하기 위해 배터리 셀들의 전기적 연결을 제어하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 배터리 차단 유닛은, 파워 릴레이와 전류 센서, 퓨즈 등을 포함할 수 있다. 배터리 차단 유닛 역시 모듈 단위가 아닌 팩 단위에 제공되는 구성으로서, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 차단 유닛이 채용될 수 있다.
이 밖에도, 상기 배터리 팩(10)은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 배터리 팩의 구성요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 경우, 작업자가 수작업으로 서비스 플러그를 분리하여 전원을 차단할 수 있는 MSD(manual service disconnector)를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 팩 케이스(300)의 하부 케이스(320)의 요부를 도시한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 상기 하부 케이스(320)는 상기 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)으로 연장되는 한 쌍의 제 1 외벽들(321)을 포함한다. 또, 상기 하부 케이스(320)는 상기 제 2 방향(예를 들면 y축 방향)으로 연장되며, 상기 한 쌍의 제 1 외벽들(321)과 함께 상기 팩 케이스(300)의 내부 공간(330)을 정의하는 한 쌍의 제 2 외벽들(322)을 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 외벽들(321)과 상기 제 2 외벽들(322)은 일체로 이루어질 수 있다.
상기 하부 케이스(320)는 상기 한 쌍의 제 1 외벽들(321) 사이에서 상기 제 1 외벽들(321)과 평행하게 연장되는 종방향 빔(longitudinal beam)(323)을 더 포함한다. 상기 종방향 빔(323)은 상기 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)으로 연장되어 상기 한 쌍의 제 2 외벽들(322)과 만날 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 종방향 빔(323)은 상기 제 2 외벽들(322)과 일체로 이루어질 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 종방향 빔(323)은 메사(mesa) 구조를 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 종방향 빔(323)의 상부 표면은 상기 제 2 외벽들(322)의 상부 표면보다 낮을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 종방향 빔(323)의 측벽은 자신의 상부 표면에 대하여 하방으로 비스듬하게 연장될 수 있다. 다른 일부 실시예들에 있어서, 상기 종방향 빔(323)의 측벽은 자신의 상부 표면에 대하여 수직으로 연장될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 종방향 빔(323)의 측벽은 이웃하는 배터리 셀(100)의 엣지 모양에 대응되도록 구성될 수 있다.
상기 종방향 빔(323)은 상기 제 1 외벽들(321) 중 이웃하는 제 1 외벽(321)과 함께 배터리 셀들(100)(도 1 참조)이 수용될 수 있는 내부 공간(330)을 정의할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 하부 케이스(320)는 둘 이상의 종방향 빔들(323)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 팩 케이스(300)는 둘 이상의 종방향 빔들(323)을 포함할 수 있다. 상기 하부 케이스(320)가 둘 이상의 종방향 빔들(323)을 포함하는 경우, 이웃하는 두 종방향 빔들(323)은 배터리 셀들(100)(도 1 참조)이 수용될 수 있는 내부 공간(330)을 정의할 수 있다.
도 3은 도 1의 배터리 팩(10)을 III-III' 선을 따라 절개한 단면의 요부를 나타낸 측단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 한 쌍의 제 1 외벽들(321)의 각각은 상기 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)으로 연장되는 외벽 본체(3211) 및 상기 외벽 본체(3211)로부터 상기 외벽 본체(3211)에 이웃하는 배터리 셀들(100)을 향하여 돌출된 메사(mesa)부(3212)를 포함할 수 있다.
상기 메사부(3212)는 상기 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)으로 연장되어 상기 한 쌍의 제 2 외벽들(322)과 만날 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 메사부(3212)는 상기 외벽 본체(3211) 및/또는 상기 제 2 외벽들(322)과 일체로 이루어질 수 있다.
상기 메사부(3212)의 상부 표면은 상기 제 2 외벽들(322)의 상부 표면보다 낮을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 메사부(3212)의 상부 표면은 상기 종방향 빔(323)의 상부 표면과 동일 평면 상에 있을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 메사부(3212)의 상부 표면의 폭은 상기 종방향 빔(323)의 상부 표면의 폭보다 좁을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 메사부(3212)의 측벽은 자신의 상부 표면에 대하여 하방으로 비스듬하게 연장될 수 있다. 다른 일부 실시예들에 있어서, 상기 메사부(3212)의 측벽은 자신의 상부 표면에 대하여 수직으로 연장될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 메사부(3212)의 측벽은 이웃하는 배터리 셀(100)의 엣지 모양에 대응되도록 구성될 수 있다.
상기 종방향 빔(323)의 상부 표면 위에는 배선 구조물(350)이 제공될 수 있다. 상기 배선 구조물(350)은 상기 배터리 셀들(100)을 전기적으로 연결하는 임의의 구조물일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 배선 구조물(350)은 상기 종방향 빔(323)을 따라 상기 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)으로 연장되는 배선 기판(352)을 포함할 수 있다. 상기 배선 기판(352)은 절연층 및 상기 절연층 위에 형성된 임의의 도전 라인들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 배선 구조물(350)은 상기 배선 기판(352) 상에 버스바들(200)을 더 포함할 수 있다.
상기 버스바(200)는 상기 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)으로 이웃하는 두 배터리 셀들(100)을 전기적으로 연결하는 임의의 도전체일 수 있다. 이에 대해서는 뒤에서 더욱 상세하게 설명한다.
상기 종방향 빔(323) 내에는 상기 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)으로 상기 종방향 빔(323)을 관통하는 히트 싱크(heat sink)(3251)가 제공될 수 있다. 상기 히트 싱크(3251)는, 예를 들면, 상기 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)으로 연장되는 냉각 유체의 통로일 수 있다. 상기 냉각 유체는 액체, 기체 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 예를 들면, 상기 냉각 유체는, 물, 공기, 알코올, 질소 등일 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다.
도 3에 도시된 바와 같이 상기 종방향 빔(323)의 상부에서 배터리 셀들(100)의 셀 리드들(110)이 버스바(200)와 결합하며, 배터리 팩(10)의 동작 중에 상기 셀 리드들(110)과 버스바(200)가 결합된 곳에서 다량이 열이 발생한다. 따라서 상기 종방향 빔(323)의 내부를 관통하는 히트 싱크(3251)가 다량의 발생된 열을 신속하게 제거할 수 있기 때문에 배터리 팩(10)의 온도 상승을 통제하고 배터리 팩(10)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
상기 히트 싱크(3251)는 상기 팩 케이스(300)의 외부에 제공된 냉각 유체 저장고(reservoir)에 유체 연통되도록 연결될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 냉각 유체 저장고는 자신의 내부에 저장된 유체를 냉각시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 외벽들(321)의 메사부(3212)의 상부 표면 상에도 배선 구조물(350)이 제공될 수 있다. 상기 메사부(3212) 상의 배선 구조물(350)도 배선 기판(352) 및 버스바들(200)을 포함할 수 있다.
상기 메사부(3212) 내에는 상기 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)으로 상기 메사부(3212)를 관통하는 히트 싱크(heat sink)(3252)가 제공될 수 있다. 상기 히트 싱크(3252)는, 예를 들면, 상기 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)으로 연장되는 냉각 유체의 통로일 수 있다. 상기 냉각 유체는 액체, 기체 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 예를 들면, 상기 냉각 유체는, 물, 공기, 알코올, 질소 등일 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 메사부(3212)의 상부에서 배터리 셀들(100)의 셀 리드들(110)이 버스바(200)와 결합하며, 배터리 팩(10)의 동작 중에 상기 셀 리드들(110)과 버스바(200)가 결합된 곳에서 다량이 열이 발생한다. 따라서 상기 메사부(3212)의 내부를 관통하는 히트 싱크(3252)가 다량의 발생된 열을 신속하게 제거할 수 있기 때문에 배터리 팩(10)의 온도 상승을 통제하고 배터리 팩(10)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
상기 히트 싱크(3252)는 상기 팩 케이스(300)의 외부에 제공된 냉각 유체 저장고에 유체 연통되도록 연결될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 냉각 유체 저장고는 자신의 내부에 저장된 유체를 냉각시키도록 구성될 수 있다.
상기 하부 케이스(320)는 바닥부(326)를 더 포함한다. 상기 바닥부(326)는 상기 한 쌍의 제 1 외벽들(321), 상기 한 쌍의 제 2 외벽들(322), 및 상기 종방향 빔(323)의 하부에 제공된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 바닥부(326)는 상기 한 쌍의 제 1 외벽들(321), 상기 한 쌍의 제 2 외벽들(322), 및 상기 종방향 빔(323) 중의 하나 이상과 일체로 구성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 배터리 셀들(100)의 하부의 상기 바닥부(326) 내에 추가적인 히트 싱크(3253)가 더 제공될 수 있다. 추가적인 상기 히트 싱크(3253)는, 예를 들면, 상기 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)으로 연장되는 냉각 유체의 통로일 수 있다. 상기 냉각 유체는 액체, 기체 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 예를 들면, 상기 냉각 유체는, 물, 공기, 알코올, 질소 등일 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다.
추가적인 상기 히트 싱크(3253)는 상기 배터리 셀들(100)의 충전 및 방전에서 발생된 열을 신속하게 제거할 수 있기 때문에 배터리 팩(10)의 온도 상승을 통제하고 배터리 팩(10)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 종방향 빔(323)의 하부의 바닥부(326) 내에는 히트 싱크가 제공되지 않을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 메사부(3212)의 하부의 바닥부(326) 내에는 히트 싱크가 제공되지 않을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(100)의 요부를 도시한 사시도이다.
도 4를 참조하면, 상기 배터리 셀(100)은 전극 조립체(101), 상기 전극 조립체(101)를 둘러싸는 커버(105), 및 상기 커버(105)의 일측으로부터 상기 제 2 방향(예를 들면, y 방향)으로 돌출된 셀 리드(110)를 포함한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 배터리 셀(100)은 파우치형 배터리 셀일 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 배터리 셀(100)은 각형 배터리 셀일 수도 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 배터리 셀(100)은 얇은 판상 몸체를 갖는 것으로서, 바람직하게 파우치 셀의 구조로 이루어질 수 있다. 상기 파우치 셀은 양극, 세퍼레이터 및 음극이 교대로 적층되어 상기 전극 조립체(101)를 구성하고 적어도 일측으로 전극탭이 인출되어 상기 셀 리드(110)와 연결된 구조로 이루어질 수 있다. 상기 양극 및 음극은 집전체의 적어도 한면에 전극 활물질, 바인더 수지, 도전제 및 기타 첨가제 등의 슬러리를 도포함으로써 제조될 수 있다. 상기 전극 활물질은, 양극의 경우, 리튬 함유 전이금속 산화물과 같은 통상의 양극 활물질이 사용될 수 있고, 음극의 경우에는 리튬 이온이 흡장 및 방출될 수 있는 리튬 금속, 탄소재 및 금속 화합물 또는 이들의 혼합물과 같은 통상의 음극 활물질이 사용될 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터로는 리튬 이차전지에 사용되는 통상의 다공성 고분자 필름이 채용 가능하다.
상기 전극 조립체(101)와 함께 상기 커버(105) 내에 수용되는 전해액으로는 통상의 리튬 이차전지용 전해액이 채용될 수 있다. 상기 커버(105)는 시트 소재로 형성되는 것으로서, 전극 조립체(101)를 수용하기 위한 수납부를 구비한다. 바람직하게, 커버(105)는 시트 소재가 소정 형상으로 가공되어 형성된 제1 케이스와 제2 케이스가 결합되어 형성된다. 커버(105)를 이루는 시트 소재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)나 나일론(Nylon) 등의 절연물질로 이루어진 최외곽의 외부수지층과, 기계적 강도를 유지하고 수분 및 산소의 침투를 막아주는 알루미늄 소재의 금속층과, 열접착성을 가져 실링재 역할을 하는 폴리올레핀(polyolefin)계 재료로 이루어진 내부수지층이 적층된 다층 구조로 구성되어 있다.
상기 커버(105)를 이루는 시트 소재는 필요에 따라 상기 내부 수지층과 금속층, 상기 외부 수지층과 금속층 사이에는 소정의 접착 수지층이 개재될 수 있다. 상기 접착 수지층은 이종 재료 간의 원활한 부착을 위한 것으로서 단층 또는 다층으로 형성되고, 그 재료는 통상적으로 폴리올레핀계 수지가 사용되거나 원활한 가공을 위해 폴리우레탄 수지가 사용될 수 있으며, 이들의 혼합물도 채용 가능하다.
상기 배터리 셀(100)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제 1 방향(예를 들면, x 방향)에 수직인 두 주표면들(S1, S2)을 갖는다. 즉, 상기 배터리 셀(100)은 도 4의 yz 평면을 따라 연장되고 서로 평행한 제 1 주표면(S1) 및 제 2 주표면(S2)을 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀(100)의 셀 리드(110) 부분을 중심으로 상기 배터리 셀(100)의 일부를 도시한 부분 확대도이다.
도 5를 참조하면, 상기 셀 리드(110)는 커버(105)의 일측으로부터 상기 제 2 방향(예를 들면, y축 방향)으로 돌출되며, 제 1 부분(111)과 제 2 부분(112)을 포함한다. 상기 제 1 부분(111)은 상기 제 2 부분(112)에 비하여 상대적으로 상기 커버(105)에 가깝게 위치할 수 있다. 또, 상기 제 2 부분(112)은 상기 제 2 방향에 있어서 상기 셀 리드(110)의 최선단일 수 있다.
상기 제 1 부분(111)과 상기 제 2 부분(112)은 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 부분(111)과 상기 제 2 부분(112)은 서로 직접 접촉할 수 있으나, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 부분(111)과 상기 제 2 부분(112)은 일체로 형성되어(integrated) 있을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 부분(111)은 대체로 상기 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)에 수직인 평면을 주평면으로 갖는 평판 형태를 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 2 부분(112)은 상기 제 3 방향(예를 들면 z축 방향)에 수직인 평면으로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 제 2 부분(112)이 상기 제 3 방향에 수직인 평면으로 구성된다는 것은 상기 제 2 부분(112)의 상부면 및 하부면이 상기 제 3 방향에 수직이면서 상기 상부면 및 하부면 내에 관통공을 포함하지 않음을 의미한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 2 부분(112)의 상부면 및 하부면은 상기 제 3 방향에 수직이면서 상기 상부면 및 하부면 내에 관통공을 포함하지 않을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 2 부분(112)의 상부면 및 하부면은 상기 제 3 방향에 수직이면서 상기 상부면 및 하부면 내에 관통공을 포함할 수 있다.
도 6은 상기 배터리 셀(100)의 셀 리드(110) 부분을 중심으로 상기 배터리 셀(100)의 일부를 x 방향에서 바라본 부분 확대도이다.
도 6을 참조하면, 상기 셀 리드(110)의 상기 제 1 부분(111)은 제 1 상면(111a)과 제 1 하면(111b)을 갖는다. 또, 셀 리드(110)의 상기 제 2 부분(112)은 제 2 상면(112a)과 제 2 하면(112b)을 갖는다. 여기서 '상면'과 '하면'은 상대적인 개념으로서 상대적으로 윗쪽에 위치한 것을 '상면'으로, 상대적으로 아래쪽에 위치한 것을 '하면'으로 정의할 수도 있고, 둘 중 하나를 '상면'으로 나머지 하나를 '하면'으로 정의할 수도 있다.
상기 제 1 부분(111)에 대하여 중심선(CL)이 정의될 수 있다. 상기 중심선(CL)은 상기 제 1 부분(111)을 제 3 방향(예를 들면, z축 방향)으로 2등분하는 제 2 방향(예를 들면, y축 방향)의 직선이다.
상기 제 3 방향에 있어서, 상기 중심선(CL)은 상기 제 2 부분(112)의 제 2 상면(112a)과 상기 제 2 하면(112b) 사이에 위치할 수 있다.
상기 제 3 방향에 있어서, 상기 제 1 부분(111)은 제 1 치수(H1)을 갖고 상기 제 2 부분(112)은 상기 제 1 치수(H1)보다 작은 제 2 치수(H2)를 갖는다. 상기 제 2 치수(H2)는, 예를 들면 상기 제 1 치수(H1)의 약 0.5% 내지 약 50%일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 2 치수(H2)는 상기 제 1 치수(H1)의 약 0.5% 내지 약 50%, 약 1% 내지 약 48%, 약 1.5% 내지 약 45%, 약 2% 내지 약 43%, 약 2.5% 내지 약 40%, 약 3% 내지 약 38%, 약 3.5% 내지 약 35%, 약 4% 내지 약 33%, 약 4.5% 내지 약 30%, 약 5% 내지 약 28%, 약 5.5% 내지 약 25%, 약 6% 내지 약 23%, 약 6.5% 내지 약 20%, 약 7% 내지 약 18%, 약 7.5% 내지 약 15%, 약 8% 내지 약 13%, 약 8.5% 내지 약 10%, 또는 이 수치들 중 임의의 두 수치들 사이의 범위를 가질 수 있다.
상기 제 1 치수(H1)에 비하여 상기 제 2 치수(H2)가 너무 작으면 상기 제 2 부분(112)의 기계적 강도가 미흡하여 쉽게 손상될 수 있다. 상기 제 1 치수(H1)에 비하여 상기 제 2 치수(H2)가 너무 크면 배터리 셀(100)의 무게가 불필요하게 증가할 수 있다.
도 7은 상기 배터리 셀(100)의 셀 리드(110) 부분을 중심으로 상기 배터리 셀(100)의 일부를 y 방향에서 바라본 부분 확대도이다.
도 7을 참조하면, 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)에 있어서 상기 셀 리드(110)의 상기 제 1 부분(111)은 제 1 최대 치수(d1)를 갖고, 상기 셀 리드(110)의 상기 제 2 부분(112)은 제 2 최대 치수(d2)를 갖는다. 상기 제 2 최대 치수(d2)는 상기 제 1 최대 치수(d1)보다 더 크다. 예를 들면, 상기 제 2 최대 치수(d2)는 상기 제 1 최대 치수(d1)의 약 2배 내지 약 20배일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 2 최대 치수(d2)는 상기 제 1 최대 치수(d1)의 약 2배 내지 약 20배, 약 2.5배 내지 약 19.5배, 약 3배 내지 약 19배, 약 3.5배 내지 약 18.5배, 약 4배 내지 약 18배, 약 4.5배 내지 약 17.5배, 약 5배 내지 약 17배, 약 5.5배 내지 약 16.5배, 약 6배 내지 약 16배, 약 6.5배 내지 약 15.5배, 약 7배 내지 약 15배, 약 7.5배 내지 약 14.5배, 약 8배 내지 약 14배, 약 8.5배 내지 약 13.5배, 약 9배 내지 약 13배, 약 9.5배 내지 약 12.5배, 약 10배 내지 약 12배, 약 10.5배 내지 약 11.5배, 또는 이 수치들 중 임의의 두 수치들 사이의 범위를 가질 수 있다.
만일 상기 제 1 최대 치수(d1)에 비하여 상기 제 2 최대 치수(d2)가 너무 작으면, 추후 설명할 버스바(bus bar)와 상기 제 2 부분(112)의 용접이 용이하지 않을 수 있다. 만일 상기 제 1 최대 치수(d1)에 비하여 상기 제 2 최대 치수(d2)가 너무 크면, 상기 배터리 셀(100)의 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)의 두께가 과도하게 증가하여 에너지 밀도가 저하될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)에 있어서 상기 제 2 부분(112)이 갖는 제 2 최대 치수(d2)는 상기 배터리 셀(100)의 제 1 주표면(S1)과 제 2 주표면(S2) 사이에서 정의되는 셀 두께(d3)보다 더 클 수 있다. 다른 일부 실시예들에 있어서, 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)에 있어서 상기 제 2 부분(112)이 갖는 제 2 최대 치수(d2)는 상기 배터리 셀(100)의 제 1 주표면(S1)과 제 2 주표면(S2) 사이에서 정의되는 셀 두께(d3)보다 더 작을 수 있다.
도 8은 상기 배터리 셀(100)의 셀 리드(110) 부분을 중심으로 상기 배터리 셀(100)의 일부를 z 방향에서 바라본 부분 확대도이다.
도 8을 참조하면, 상기 제 3 방향(예를 들면 z축 방향)에 수직인 평면(예를 들면 xy 평면)에 내린 상기 제 2 부분(112)의 사영(projection)은 원형의 형태를 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 xy 평면에 내린 상기 제 2 부분(112)의 사영은 원형 이외에 타원, 다각형(예를 들면, 사각형, 오각형, 육각형 등), 기타 임의의 형태를 가질 수 있다. 다만, 상기 사영은 추후 버스바와의 용접에 이용될 수 있는 용접 방법의 다양성, 구조적 안정성, 취급의 용이성 등의 측면에서 원형의 형태를 갖는 것이 유리할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 사영이 원형인 경우 상기 제 2 부분(112)은 원기둥 또는 원뿔대의 형태를 가질 수 있다. 상기 사영이 다각형인 경우 상기 제 2 부분(112)은 다각기둥 또는 다각뿔대의 형태를 가질 수 있다.
상기 제 2 부분(112)의 사영의 면적은 상기 제 1 부분(111)의 사영의 면적의 약 2 배 내지 약 20배일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 2 부분(112)의 사영의 면적은 상기 제 1 부분(111)의 사영의 면적의 약 2 배 내지 약 20배, 약 2.5 배 내지 약 19배, 약 3 배 내지 약 18배, 약 3.5 배 내지 약 17배, 약 4 배 내지 약 16배, 약 4.5 배 내지 약 15배, 약 5 배 내지 약 14배, 약 5.5 배 내지 약 13배, 약 6 배 내지 약 12배, 약 6.5 배 내지 약 11배, 약 7 배 내지 약 10배, 약 7.5 배 내지 약 9배, 또는 이 수치들 중 임의의 두 수치들 사이의 범위를 가질 수 있다.
만일 상기 제 2 부분(112)의 사영의 면적이 상기 제 1 부분(111)의 사영의 면적에 비하여 너무 작으면 추후 설명할 버스바와 상기 제 2 부분(112)의 용접이 용이하지 않을 수 있다. 만일 상기 제 2 부분(112)의 사영의 면적이 상기 제 1 부분(111)의 사영의 면적에 비하여 너무 크면 배터리 셀(100)의 무게가 불필요하게 증가할 수 있다.
상기 배터리 셀들(100)은 셀 리드(110)의 제 2 부분(112)이 상기 제 3 방향(예를 들면 z축 방향)에 수직인 평면 형상을 갖기 때문에 팩 케이스(300)에 배터리 셀들(100)을 결합한 이후에 전기적으로 상호 연결을 하는 것이 가능하다. 따라서 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 팩은 부품 수가 간단하여 저렴하게 제조 가능하고, 생산성이 우수하며, 제품 고장의 우려가 적다.
도 9는 버스바(200)에 의하여 전기적으로 연결된 이웃하는 한 쌍의 배터리 셀들(100_1, 100_2)을 나타낸 사시도이다.
도 9를 참조하면, 제 1 배터리 셀(100_1)의 셀 리드(110_1)는 제 1 부분(111_1)과 제 2 부분(112_1)을 포함하고, 제 2 배터리 셀(100_2)의 셀 리드(110_2)는 제 1 부분(111_2)과 제 2 부분(112_2)을 포함한다.
상기 제 1 배터리 셀(100_1)의 셀 리드(110_1)와 제 2 배터리 셀(100_2)의 셀 리드(110_2)는 버스바(200)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제 1 배터리 셀(100_1)의 제 2 부분(112_1)과 제 2 배터리 셀(100_2)의 제 2 부분(112_2)은 버스바(200)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 버스바(200)에 의하여 전기적으로 연결되는 제 1 배터리 셀(100_1)의 셀 리드(110_1)와 제 2 배터리 셀(100_2)의 셀 리드(110_2)는 서로 동일한 극성을 가질 수도 있고, 서로 다른 극성을 가질 수도 있다.
상기 버스바(200)는 제 1 방향(예를 들면 x축 방향)으로 연장되도록 배치될 수 있으며, 제 1 배터리 셀(100_1)의 제 2 부분(112_1)과 제 2 배터리 셀(100_2)의 제 2 부분(112_2)의 각각의 하면과 접촉하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 버스바(200)는 제 1 방향으로 연장되는 스트립 형태를 가질 수 있다. 이 때, 상기 버스바(200)의 평탄면은 상기 제 1 배터리 셀(100_1)의 제 2 부분(112_1)과 제 2 배터리 셀(100_2)의 제 2 부분(112_2)과 제 3 방향(예를 들면 z축 방향)으로 마주할 수 있다.
상기 버스바(200)는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 상기 종방향 빔(323)의 상부에 배치된 배선 기판(352) 상에 제공될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 버스바(200)는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 상기 메사부(3212)의 상부에 배치된 배선 기판(352) 상에 제공될 수 있다.
제 1 배터리 셀(100_1)의 셀 리드(110_1)와 제 2 배터리 셀(100_2)의 셀 리드(110_2)는 상기 종방향 빔(323)의 상부까지 연장될 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 배터리 셀(100_1)의 셀 리드(110_1)와 제 2 배터리 셀(100_2)의 셀 리드(110_2)는 상기 종방향 빔(323)의 상부에서 상기 버스바(200)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 10은 도 9의 제 2 부분들(112_1, 112_2) 및 버스바(200)를 X-X' 선을 따라 절개한 단면을 나타낸 단면도이다.
도 10을 참조하면, 상기 버스바(200)는 상기 제 2 부분들(112_1, 112_2)과 오버랩되는 부분에서 제 3 방향(예를 들면 z축 방향)으로 오목한 리세스(R)를 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 리세스(R)는 상기 버스바(200)와 상기 제 2 부분들(112_1, 112_2)을 제 3 방향으로 용접한 결과로서 생성된 것일 수 있다. 다만, 상기 리세스(R)는 용접에 의해 상기 버스바(200)와 상기 제 2 부분들(112_1, 112_2)의 접촉 부위가 부분적으로 용융되었다가 응고된 결과물이기 때문에, 경우에 따라 용융 및 응고의 흔적으로서 나타날 수 있다.
도 10에서는 상기 리세스(R)가 상기 버스바(200)의 평탄면과 연속하여 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 경우에 따라 상기 리세스(R) 주위에 약간의 융기부가 형성되어 있을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 용접 방법에 따라 상기 리세스(R)는 명확한 계면으로 확인되지 않을 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 단면의 요부를 나타낸 측단면도이다.
도 11을 참조하면, 일부 실시예들에 있어서, 상기 종방향 빔(323)의 하부의 바닥부(326) 내에도 추가적인 히트 싱크가 제공될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 메사부(3212)의 하부의 바닥부(326) 내에도 추가적인 히트 싱크가 제공될 수 있다. 이와 같이 추가적인 히트 싱크(들)을 제공함으로써 셀 리드와 버스바(200)가 결합된 부분에서 발생되는 열을 보다 신속하게 제거할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 제조 방법을 나타낸 사시도들이다.
도 12 및 도 13a를 참조하면, 복수의 배터리 셀들(100)을 직접 팩 케이스(300) 내에 배치할 수 있다(S10). 여기서, 상기 복수의 배터리 셀들(100)을 직접 팩 케이스(300) 내에 배치한다는 것은 상기 복수의 배터리 셀들(100)을 모듈로 구성함이 없이 상기 팩 케이스(300) 내에 배치함을 의미한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀들(100)은 하나씩 개별적으로 상기 팩 케이스(300) 내에 배치될 수 있다. 다른 일부 실시예들에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀들(100)은 둘 이상 적층한 후 상기 팩 케이스(300) 내에 배치될 수 있다.
상기 배터리 셀들(100)을 상기 팩 케이스(300) 내에 배치하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 알려진 임의의 방법에 의하여 팩 케이스(300) 내에 배치할 수 있다. 상기 팩 케이스(300)의 구성에 대해서는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하였으므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다. 또, 각 배터리 셀들(100)의 구체적인 구성은 도 4 내지 도 10를 참조하여 설명하였으므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
도 12 및 도 13b를 참조하면, 이웃하는 두 배터리 셀들(100)의 제 2 방향(예를 들면 y축 방향)으로 돌출된 셀 리드들(110_1, 110_2)을 버스바(200)와 전기적으로 연결할 수 있다(S20). 상기 셀 리드들(110_1, 110_2)은 제 3 방향(예를 들면 z축 방향)으로의 용접에 의해 버스바(200)와 연결될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 버스바(200)는 상기 복수의 배터리 셀들(100)이 상기 팩 케이스(300) 내에 배치되기 전에 이미 상기 팩 케이스(300) 내에 배치되어 있을 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 버스바(200)는 상기 복수의 배터리 셀들(100)이 상기 팩 케이스(300) 내에 배치된 후에 상기 셀 리드들(110_1, 110_2) 상에 배치될 수 있다. 이후 상기 버스바(200)는 상기 셀 리드들(110_1, 110_2)과 용접될 수 있다. 용접 방법은 알려진 임의의 방법을 채용할 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.
상기 배터리 셀들(100)은 셀 리드(110)의 제 2 부분(112)이 상기 제 3 방향(예를 들면 z축 방향)에 수직인 평면 형상을 갖기 때문에 팩 케이스(300)에 배터리 셀들(100)을 결합한 이후에 전기적으로 상호 연결을 하는 것이 가능하다. 따라서 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 팩은 부품 수가 간단하여 저렴하게 제조 가능하고, 생산성이 우수하며, 제품 고장의 우려가 적다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

Claims (15)

  1. 서로 수직하는 제 1 방향, 제 2 방향, 및 제 3 방향으로 정의되는 수직 좌표계에서,
    상기 제 1 방향으로 적층된 복수의 배터리 셀들; 및
    내부 공간에 상기 배터리 셀들을 수납하는 팩 케이스;
    를 포함하고,
    상기 팩 케이스는:
    상기 제 1 방향으로 연장되는 한 쌍의 제 1 외벽들;
    상기 제 2 방향으로 연장되며 상기 한 쌍의 제 1 외벽들과 함께 상기 팩 케이스의 내부 공간을 정의하는 한 쌍의 제 2 외벽들;
    상기 한 쌍의 제 1 외벽들 사이에서 상기 제 1 외벽들과 평행하게 연장되는 종방향 빔(longitudinal beam); 및
    상기 제 1 외벽들, 상기 제 2 외벽들, 및 상기 종방향 빔의 하부에 제공되는 바닥부;
    를 포함하고,
    상기 종방향 빔의 상부에는 상기 복수의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는 배선 구조물이 제공되고,
    상기 종방향 빔의 내부에는 히트 싱크(heat sink)가 제공된 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 상기 제 1 방향으로 연장되는 냉각 유체의 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀들의 하부의 상기 바닥부 내에 추가적인 히트 싱크가 더 제공된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 종방향 빔의 하부의 바닥부 내에는 히트 싱크가 제공되지 않은 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀들의 각각은 전극 조립체, 상기 전극 조립체를 둘러싸는 커버, 및 상기 커버의 일측으로부터 상기 제 2 방향으로 상기 종방향 빔의 상부까지 돌출된 제 1 셀 리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 셀 리드는 상대적으로 상기 커버에 가까운 제 1 부분 및 상대적으로 상기 커버로부터 더 멀리 이격된 제 2 부분을 포함하고,
    상기 제 1 방향에 있어서 상기 제 2 부분의 최대 치수가 상기 제 1 부분의 최대 치수보다 더 크고, 상기 제 2 부분은 상기 제 3 방향에 수직인 평면으로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 배선 구조물은:
    상기 종방향 빔의 상면을 따라 연장되는 배선 기판; 및
    상기 배선 기판 상에 결합된 버스바;
    를 포함하고,
    상기 제 2 부분은 상기 버스바와 상기 제 3 방향의 용접에 의하여 결합된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제 1 외벽들의 각각은:
    상기 제 1 방향으로 연장되는 외벽 본체; 및
    이웃하는 배터리 셀들을 향하여 상기 외벽 본체로부터 돌출된 메사(mesa)부;
    를 포함하고,
    상기 메사부 내에 상기 제 1 방향으로 연장되는 추가적인 히트 싱크가 더 제공된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 메사부의 상부 표면은 상기 외벽 본체의 상부 표면보다 낮고, 상기 종방향 빔의 상부 표면과 실질적으로 동일한 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 메사부의 상부 표면에 추가적인 배선 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 메사부의 하부의 바닥부 내에는 히트 싱크가 제공되지 않은 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 서로 수직하는 제 1 방향, 제 2 방향, 및 제 3 방향으로 정의되는 수직 좌표계에서,
    복수의 배터리 셀들을 직접 팩 케이스 내에 배치하는 단계; 및
    상기 복수의 배터리 셀들 중 이웃하는 적어도 두 개의 배터리 셀들의 상기 제 2 방향으로 돌출된 셀 리드들을 버스바(bus bar)를 이용하여 전기적으로 연결하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 셀 리드들을 버스바를 이용하여 전기적으로 연결하는 단계는 상기 셀 리드들의 각각을 상기 버스바와 상기 제 3 방향으로 용접하여 연결하는 단계를 포함하고,
    상기 팩 케이스는:
    상기 제 1 방향으로 연장되는 한 쌍의 제 1 외벽들;
    상기 제 2 방향으로 연장되며 상기 한 쌍의 제 1 외벽들과 함께 상기 팩 케이스의 내부 공간을 정의하는 한 쌍의 제 2 외벽들;
    상기 한 쌍의 제 1 외벽들 사이에서 상기 제 1 외벽들과 평행하게 연장되는 종방향 빔(longitudinal beam); 및
    상기 제 1 외벽들, 상기 제 2 외벽들, 및 상기 종방향 빔의 하부에 제공되는 바닥부;
    를 포함하고,
    상기 종방향 빔의 상부에는 상기 복수의 배터리 셀들과 전기적으로 연결되는 배선 구조물이 제공되고,
    상기 종방향 빔의 내부에는 히트 싱크(heat sink)가 제공되는 배터리 팩의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀들의 하부의 상기 바닥부 내에 추가적인 히트 싱크가 더 제공되고, 상기 종방향 빔의 하부의 바닥부 내에는 히트 싱크가 제공되지 않은 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 셀 리드는 상대적으로 상기 커버에 가까운 제 1 부분 및 상대적으로 상기 커버로부터 더 멀리 이격된 제 2 부분을 포함하고,
    상기 제 1 방향에 있어서 상기 제 2 부분의 최대 치수가 상기 제 1 부분의 최대 치수보다 더 크고, 상기 제 2 부분은 상기 제 3 방향에 수직인 평면으로 구성되고,
    상기 배선 구조물은:
    상기 종방향 빔의 상면을 따라 연장되는 배선 기판; 및
    상기 배선 기판 상에 결합된 상기 버스바;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제 1 외벽들의 각각은:
    상기 제 1 방향으로 연장되는 외벽 본체; 및
    이웃하는 배터리 셀들을 향하여 상기 외벽 본체로부터 돌출된 메사(mesa)부;
    를 포함하고,
    상기 메사부 내에 상기 제 1 방향으로 연장되는 추가적인 히트 싱크가 더 제공된 것을 특징으로 하는 배터리 팩의 제조 방법.
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