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WO2013125810A1 - 신규한 구조의 전지팩 - Google Patents

신규한 구조의 전지팩 Download PDF

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Publication number
WO2013125810A1
WO2013125810A1 PCT/KR2013/001144 KR2013001144W WO2013125810A1 WO 2013125810 A1 WO2013125810 A1 WO 2013125810A1 KR 2013001144 W KR2013001144 W KR 2013001144W WO 2013125810 A1 WO2013125810 A1 WO 2013125810A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery
battery pack
cells
groups
battery cells
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2013/001144
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이종우
김우열
최일훈
강예란
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Chem Ltd
Original Assignee
LG Chem Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LG Chem Ltd filed Critical LG Chem Ltd
Priority to EP13752565.5A priority Critical patent/EP2797140B1/en
Priority to CN201380007076.0A priority patent/CN104081560B/zh
Priority to JP2014556486A priority patent/JP6270162B2/ja
Priority to RU2014131009/07A priority patent/RU2581615C2/ru
Publication of WO2013125810A1 publication Critical patent/WO2013125810A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/509—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing characterised by the type of connection, e.g. mixed connections
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    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
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    • 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 high-output large-capacity battery pack, and more particularly, to a battery pack that is electrically connected to the charge-dischargeable battery pack, including two or more kinds of battery groups having different capacities or sizes, the battery
  • the group is composed of two or more battery cells each having the same capacity or size, two or more battery cells in each battery group are connected in series, the battery cells characterized in that the battery cells between the battery groups are connected in parallel It's about the pack.
  • the secondary battery may be used in the form of a single battery, or in the form of a battery pack in which a plurality of unit cells are electrically connected, depending on the type of external device used therein.
  • a small device such as a mobile phone can operate for a predetermined period of time with the output and capacity of one battery, while a medium or large size such as a notebook computer, a portable DVD, a small PC, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, etc.
  • Large devices require the use of battery packs with multiple batteries due to power and capacity issues.
  • lithium secondary batteries are frequently used due to their high output characteristics and large capacity.
  • a lithium secondary battery Since various lithium combustible materials are built in the lithium secondary battery, there is a risk of overheating, explosion, etc. due to overcharging, overcurrent, and other physical external shocks. Therefore, a lithium secondary battery has a PTC (Positive Temperature Coefficient) element and a protection circuit module (PCM) connected to the battery cell as a safety device that can effectively control abnormal conditions such as overcharge and overcurrent. It is mounted.
  • PTC Physical Temperature Coefficient
  • one or two or four battery cells are used for small mobile devices, whereas a medium to large battery module electrically connecting a plurality of battery cells is required due to the necessity of high output capacity for medium and large devices such as automobiles. Used. Since the size and weight of the battery module are directly related to the accommodation space and the output of the medium and large devices, manufacturers are trying to manufacture a battery module that is as small and lightweight as possible.
  • a plurality of unit cells are embedded in a cartridge in series or parallel connection, and a battery pack is manufactured by electrically connecting a plurality of such cartridges.
  • FIG. 1 schematically shows a series connection of unit cells in a high power / large capacity battery pack of the prior art.
  • the unit cell 10 is sealed by a case in which a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolyte are embedded therein, and a positive electrode tab 20 and a negative electrode tab 30 protrude from upper and lower portions thereof, respectively. It is.
  • the positive electrode tab 20 is positioned upward in the first unit cell 10
  • the adjacent second unit cell 11 is disposed such that the positive electrode tab 21 is positioned downward.
  • These unit cells 10 and 11 are electrically connected to each other by the electrode lead 40 while the opposite electrodes are adjacent to each other.
  • the third unit cell 12 is also connected in series with the second unit cell 11 while being arranged in such a manner.
  • the positive electrode tab 20 of the first unit cell 10 of each cell group is connected to the positive external terminal 50 and the negative electrode tab of the last unit cell 15 ( 33 is embedded in the housing 70 in a state connected to the cathode external terminal 60.
  • the electrode tabs 20 and 30 are formed in the long axis direction of the unit cell 10 of FIG. 1, in some cases, a structure in which the electrode tabs face each other in the short axis direction is also developed.
  • the same plurality of unit cells 10, 11, 12, 13, 14, and 15 have the same size or capacity. Since the battery pack is configured to have a battery pack, in order to make the battery pack light and thin in consideration of the design of the device to which the battery pack is applied, there is a problem of reducing the capacity of the battery pack or changing the design of the device to a larger size. In addition, there is a problem that it is difficult to manufacture a battery pack that satisfies the desired conditions due to the complicated electrical connection method in the design change process.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art as described above and the technical problems that have been requested from the past.
  • the inventors of the present application use battery cells having various capacities and sizes and configure the battery packs by electrically connecting them in a specific manner, as described later. Accordingly, the battery pack can be developed in various ways.
  • the battery pack according to the present invention for achieving the above object is a battery pack that is electrically connected to the battery cells capable of charging and discharging, includes two or more kinds of battery groups having different capacities or sizes, each of the battery groups It is composed of two or more battery cells having the same capacity or size, two or more battery cells in each battery group are connected in series, and battery cells between the battery groups are configured to be connected in parallel.
  • the battery pack according to the present invention by combining the battery cells to correspond to the design shape of the device to which the battery pack is applied to form a structure of the battery pack, it can be flexibly applied to fit the various shapes of the device while providing high capacity. Can be.
  • the electrical connection of the battery cells in a manner that satisfies a specific condition as defined above, it is possible to fundamentally solve the voltage balancing problem when configuring the battery pack using a variety of battery cells.
  • the battery cells and the battery cells between the battery groups in the same battery group may be a battery pack structure consisting of battery cells having the same electrochemical properties.
  • the battery cells between the battery groups may have the same energy density and have a battery pack structure consisting of battery cells having different capacities according to size.
  • the configuration of the battery cell as described above while manufacturing a battery pack based on a variety of battery cells, it is easy to manufacture the battery cell itself, as a result can minimize the increase in the manufacturing cost of the battery pack.
  • the battery groups are configured as two or more types having different capacities or sizes as described above.
  • the battery groups may have a structure including three types of battery groups having different capacities or sizes. .
  • the position of the battery cells constituting one battery group is not particularly limited, but preferably, the battery cells having different capacities or sizes may be arranged adjacent to each other to form a bank. That is, a structure in which battery cells belonging to different battery groups are arranged to be adjacent to each other is preferable. This arrangement structure has an effect of facilitating parallel connection of battery cells having different capacities or sizes, thereby simplifying the overall electrical wiring of the battery pack.
  • the battery cells may be balanced by increasing the capacity of the battery pack due to the structure in which the battery cells are connected to each other in parallel.
  • the structure in which the battery cells between the battery groups are connected in series, or the structure in which two or more battery cells in each battery group are connected in parallel, in the configuration of a battery pack with a variety of battery cells It has been found that it is difficult to solve the problem that voltage balancing between battery cells having different capacities is difficult to achieve or that electrical wiring becomes very complicated.
  • the battery pack according to the present invention is configured using battery cells of various capacities or sizes, thereby enabling easy mounting according to the design of the device to which the battery pack is applied.
  • the overall thickness of the device when the overall thickness of the device is thin, it may be a structure in which all battery cells are arranged in a plane.
  • the battery group may be a structure that is charged with the amount of current corresponding to the capacity size of the battery cell.
  • the charging may be performed by the CC-CV charging method.
  • the structure of the battery cell is not particularly limited, and may be, for example, a structure consisting of a plate-shaped battery cell in which electrode terminals protrude from one side or both sides.
  • Electrode terminals may be electrically connected by circuit boards disposed on one or both sides of the battery cells.
  • the battery cell may be a plate-shaped battery cell in which electrode terminals protrude to one side, and may have a structure electrically connected by a circuit board disposed on the battery terminal side of the battery cells.
  • the battery pack Since the electrical connection by the circuit board is made by the circuit of the board, it has a very simple structure as a whole, in particular, the battery pack needs to have a very thin structure as a whole according to the specifications of the device to which the battery pack is applied. Is particularly preferred.
  • the type of battery cell may also be very diverse, preferably a lithium secondary battery, but is not limited to these, of course.
  • the present invention also provides a device including the battery pack as a power source.
  • Preferred examples of devices in which the battery pack according to the present invention may be used include mobile devices such as notebook computers, netbooks, tablet PCs, smart pads, and the like.
  • the battery pack according to the present invention has a very high flexibility in the arrangement of the battery cells by a battery group having a variety of sizes and capacities, so that these problems can be solved at once.
  • FIG. 1 is a perspective view of a cartridge in which four unit cells according to the prior art are built;
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a state in which battery groups are arranged according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a state in which two or more battery cells in series are connected in parallel according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a graph illustrating voltage balancing according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing battery groups in which unit cells according to an embodiment of the present invention are arranged.
  • the battery pack 300 includes three types of battery groups 574160L1, 474160L1, and 614439L1 having different capacities.
  • the battery group 574160L1 is composed of two battery cells 101a and 101b having the same size and capacity
  • the battery group 474160L1 is composed of two battery cells 102a and 102b having the same size and capacity.
  • the battery group 614439L1 is composed of two battery cells 103a and 103b having the same size and capacity.
  • Each of the battery cells 101a, 101b, 102a, 102b, 103a, and 103b includes the same electrochemical properties, that is, the same electrode active material, the electrolyte, and the like, and is a battery cell whose capacity is determined according to size.
  • the battery cells 101a, 101b, 102a, 102b, 103a, and 103b have a plate-like structure in which positive and negative terminals protrude upward.
  • Battery cells 101a, 102a, and 103a belonging to different battery groups are adjacent to each other on the left side, and similarly, battery cells 101b, 102b, and 103b are positioned on the right side adjacent to each other, and they are the battery pack 300 It is arranged in a plate shape while forming a symmetrical structure with respect to the center of.
  • the lower end of the battery cells (102a, 102b) has a form that is indented as a whole than the lower end of the battery cells (101a, 101b, 103a, 103b), due to this structure the battery pack 300
  • the flexibility of the design can be achieved depending on the internal structure of the device to which it is applied.
  • the left battery cells 101a, 102a, 103a and the right battery cells 101b, 102b, 103b which are mutually different in capacity and are adjacent to each other are connected in parallel to form a bank.
  • these banks form a serial connection.
  • This battery connection is achieved by the circuit board 200 located on the electrode terminal side of the battery cells 101a, 101b, 102a, 102b, 103a, 103b.
  • the positive terminal (+) of the battery cell 102a in the battery group 474160L1 is connected to the positive terminal (+) of the battery cell 101a in the battery group 574160L1 via the circuit board 200.
  • the negative terminal (-) of the battery cell 102a is connected to the negative terminal (-) of the battery cell 101a via the circuit board 200.
  • This connection is also applied to the battery group 614439L1, and the battery groups 574160L1, 474160L1, and 614439L1 are connected in parallel with each other.
  • FIG. 3 is a circuit diagram schematically showing a state in which battery groups composed of two or more battery cells connected in series according to an embodiment of the present invention are connected in parallel
  • FIG. 4 illustrates an embodiment of the present invention. A graph showing voltage balancing along is shown.
  • a plurality of battery cells are connected in series to form at least one battery group, and a plurality of battery groups A, B, and C having such a structure are connected in parallel.
  • a plurality of battery groups A, B, and C having such a structure are connected in parallel.
  • parallel groups VBank1 and Vbank2.
  • the number of battery cells (not shown) in each battery group is not particularly limited, and the number of battery groups included in the battery pack is also not particularly limited.
  • the battery groups Since the battery cells having different capacities or sizes between the battery groups are connected in parallel to each other, while the charging is performed at the initial applied current (i), the battery groups have a current value corresponding to the capacity or size of the built-in battery cells. By flowing (ia, ib, ic) and being charged by the CC-CV charging method, voltage balancing between the battery groups can be naturally achieved.
  • a larger current value is applied to a battery group consisting of battery cells having a large capacity or size. That is, a larger current value ic is applied to the battery group 574160L1 having a large capacity, and the smallest current value ia is applied to the battery group 614439L1 having a small capacity, thereby achieving voltage balancing of the entire battery pack. .
  • each of the battery group (574160L1, 474160L1, 614439L1) is charged in the current charging method (CC-CV) to gradually decrease by initially charging to a constant current value, each connected in parallel
  • the charging current is applied corresponding to the capacity or size of the battery groups 574160L1, 474160L1, and 614439L1. Therefore, the voltage balancing of each of the parallel groups VBank1 and Vbank2 is maintained, and the state in which the battery is fully charged can be confirmed through the Relative State Of Charge (RSOC) of the battery.
  • RSOC Relative State Of Charge
  • the battery pack according to the present invention is configured by combining the battery cells to correspond to the design shape of the device to configure the design of the battery pack, it is possible to solve the problems such as voltage balancing, electrical wiring, while maintaining high capacity performance Has

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Abstract

본 발명은, 충방전이 가능한 전지셀들이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩으로서, 용량 내지 크기가 서로 다른 두 종류 이상의 전지군들을 포함하고 있고, 상기 전지군은 각각 용량 내지 크기가 동일한 둘 이상의 전지셀들로 구성되어 있으며, 각각의 전지군 내의 둘 이상의 전지셀들은 직렬 연결되어 있고, 전지군들 상호 간의 전지셀들은 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩을 제공한다.

Description

신규한 구조의 전지팩
본 발명은 고출력 대용량 전지팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 충방전이 가능한 전지셀들이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩으로서, 용량 내지 크기가 서로 다른 두 종류 이상의 전지군들을 포함하고 있고, 상기 전지군은 각각 용량 내지 크기가 동일한 둘 이상의 전지셀들로 구성되어 있으며, 각각의 전지군 내의 둘 이상의 전지셀들은 직렬 연결되어 있고, 전지군들 상호 간의 전지셀들은 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지의 수요가 급격히 증가하고 있다.
이차전지는 그것이 사용되는 외부기기의 종류에 따라, 단일 전지의 형태로 사용되기도 하고, 또는 다수의 단위전지들을 전기적으로 연결한 전지팩의 형태로 사용되기도 한다. 예를 들어, 휴대폰과 같은 소형 디바이스는 전지 1개의 출력과 용량으로 소정의 시간 동안 작동이 가능한 반면에, 노트북 컴퓨터, 휴대용 DVD(portable DVD), 소형 PC, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같은 중형 또는 대형 디바이스는 출력 및 용량의 문제로 다수의 전지들을 내장한 전지팩의 사용이 요구된다.
이차전지 중에서도 리튬 이차전지는 높은 출력 특성과 큰 용량으로 인해 많이 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다. 따라서, 리튬 이차전지에는 과충전, 과전류 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 안전소자로서 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자, 보호회로 모듈(Protection Circuit Module: PCM) 등이 전지셀에 접속된 상태로 탑재되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 소형 모바일 기기들에는 디바이스 1 대당 하나 또는 두서너 개의 전지셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스에는 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다. 전지모듈의 크기와 중량은 당해 중대형 디바이스 등의 수용 공간 및 출력 등에 직접적인 관련성이 있으므로, 제조업체들은 가능한 한 소형이면서 경량의 전지모듈을 제조하려고 노력하고 있다.
일반적으로는, 다수의 단위전지들이 직렬 또는 병렬로 연결된 상태에서 카트리지에 내장되고, 이러한 카트리지 다수 개를 전기적으로 연결하여 전지팩이 제작된다.
도 1에는 종래기술의 고출력/대용량 전지팩에서 단위전지들의 직렬 방식 연결이 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 단위전지(10)는 내부에 양극, 음극, 분리막 및 전해질이 내장된 상태로 케이스에 의해 밀봉되어 있고 그것의 상하부에 각각 양극 탭(20)과 음극 탭(30)이 돌출되어 있다. 첫 번째 단위전지(10)에서 양극 탭(20)이 상향으로 위치되어 있을 때, 인접한 두 번째 단위전지(11)는 양극 탭(21)이 하향으로 위치되도록 배치된다. 이들 단위전지들(10, 11)은 서로 반대의 전극이 인접한 상태에서 전극 리드(40)에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 세 번째 단위전지(12) 역시 그러한 방식으로 배치된 상태로 두 번째 단위전지(11)와 직렬로 연결된다. 상기와 같은 직렬 방식으로 연결된 다수의 단위전지들로 이루어진 제 1 전지군에 인접하여, 도 1에는 도시되어 있지 않지만 동일한 방식으로 연결된 다수의 단위전지들로 이루어진 제 2 전지군이 도 1의 제 1 전지군에 인접하여 병렬로 연결되어 있다.
이와 같이 다수의 전지군들이 병렬 방식으로 연결된 상태에서, 각 전지군의 첫번째 단위전지(10)의 양극 탭(20)이 양극 외부 단자(50)에 연결되고 마지막 단위전지(15)의 음극 탭(33)이 음극 외부 단자(60)에 연결된 상태로 하우징(70)에 내장된다. 도 1의 단위전지(10)는 장축 방향에 전극 탭들(20, 30)이 형성되어 있지만, 경우에 따라서는 단축 방향으로 전극 탭들이 대향하여 형성된 구조도 개발되어 있다.
그러나, 단위전지들(10, 11, 12, 13, 14, 15)이 전기적으로 연결된 전지팩에서, 동일한 다수의 단위전지들(10, 11, 12, 13, 14, 15)은 동일한 크기 또는 용량을 갖는 것으로 구성되어 전지팩이 형성되므로, 전지팩이 적용되는 디바이스의 디자인을 고려하여 가볍고 얇게 만들기 위해서는, 전지팩의 용량을 줄이거나 더 큰 크기로 디바이스의 디자인을 변경해야 하는 문제점이 있다. 또한, 이러한 디자인 변경 과정에서 전기적 연결 방식이 복잡해짐으로 인해 소망하는 조건을 만족하는 전지팩의 제작이 어려워지는 문제점도 있다.
따라서, 다수의 단위전지들을 연결하여 고출력, 대용량의 전지팩을 제조함에 있어서, 전지팩의 용량을 유지하면서도 전지팩이 적용되는 디바이스의 모양에 따라 적용 가능한 전지팩에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 이후 설명하는 바와 같이, 다양한 용량 내지 크기를 가진 전지셀들을 사용하고 특정한 방식으로 전기적 연결하여 전지팩을 구성함으로써, 전지팩의 디자인에 따라 다양하게 구성할 수 있는 전지팩을 개발하기에 이르렀다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전지팩은 충방전이 가능한 전지셀들이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩으로서, 용량 내지 크기가 서로 다른 두 종류 이상의 전지군들을 포함하고 있고, 상기 전지군은 각각 용량 내지 크기가 동일한 둘 이상의 전지셀들로 구성되어 있으며, 각각의 전지군 내의 둘 이상의 전지셀들은 직렬 연결되어 있고, 전지군들 상호 간의 전지셀들은 병렬 연결되어 있는 것으로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전지팩은, 전지팩이 적용되는 디바이스의 디자인 형상에 대응하도록 전지셀들을 조합하여 전지팩의 구조를 형성함으로써, 고용량을 제공하면서도 디바이스의 다양한 형상에 맞도록 유연하게 적용할 수 있다. 더욱이, 전지셀들의 전기적 연결을 앞서 정의한 바와 같은 특정 조건을 만족하는 방식으로 구성하여, 다양한 전지셀들을 사용하여 전지팩을 구성할 때의 전압 밸런싱 문제 등을 근본적으로 해결할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 동일한 전지군 내의 전지셀들과 전지군들 상호 간의 전지셀들은 동일한 전기화학적 특성을 가진 전지셀들로 이루어진 전지팩 구조일 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 전지군들 상호 간의 전지셀들은 동일한 에너지 밀도를 가지고 크기에 따라 용량이 다른 전지셀들로 이루어진 전지팩 구조일 수 있다.
상기와 같은 전지셀의 구성은, 다양한 전지셀들을 기반으로 한 전지팩을 제작하면서도, 전지셀 자체의 제조가 용이하여 결과적으로 전지팩 제작 비용의 증가를 최소할 수 있다.
본 발명의 전지팩에서 전지군들은 앞서 설명한 바와 같이 용량 내지 크기가 서로 다른 두 종류 이상으로 구성되어 있는 바, 예를 들어, 용량 내지 크기가 서로 다른 세 종류의 전지군들을 포함하는 구조일 수 있다.
하나의 전지군을 구성하는 전지셀의 위치는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는, 용량 내지 크기가 서로 다른 전지셀들이 상호 인접하여 배열되어 뱅크(bank)를 형성하고 있는 구조일 수 있다. 즉, 다른 전지군에 속하는 전지셀들이 서로 인접하도록 배열된 구조가 바람직하다. 이러한 배열 구조는, 용량 내지 크기가 서로 다른 전지셀들의 병렬 연결을 용이하게 하고, 그에 따라 전지팩의 전반적인 전기 배선을 간소화하게 하는 효과가 있다.
이와 같이, 전지군들 상호 간의 전지셀들이 병렬 연결되어 있는 구조에 의해, 전지팩의 용량 증가와 함께 전압 밸런싱이 이루어질 수 있으며, 이는 이후 설명하는 실험 내용에서도 확인할 수 있다.
본 발명과는 달리, 전지군들 상호 간의 전지셀들이 직렬 연결되어 있는 구조, 또는 각각의 전지군 내의 둘 이상의 전지셀들이 병렬 연결되어 있는 구조는, 다양한 전지셀들로 전지팩을 구성함에 있어서, 용량이 다른 전지셀 상호간의 전압 밸런싱을 달성하기 어렵거나, 전기 배선이 매우 복잡해지는 문제점을 해결하기 어려운 것으로 확인되었다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 다양한 용량 내지 크기의 전지셀들을 사용하여 구성됨으로써 전지팩이 적용되는 디바이스의 디자인에 따라 용이한 장착을 가능하게 한다. 특히, 디바이스의 전반적인 두께가 얇은 경우에 더욱 바람직한 바, 모든 전지셀들이 평면 배열되어 있는 구조일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 전지군들은 전지셀의 용량 크기에 대응하는 전류량으로 충전되는 구조일 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 충전은 CC-CV 충전 방식으로 진행될 수 있다.
상기 전지셀의 구조는 특별히 제한되는 것은 아닌 바, 예를 들어, 일측 또는 양측으로 전극단자들이 돌출되어 있는 판상형 전지셀로 이루어진 구조일 수 있다.
전지셀들의 전기적 연결은 부재들을 사용하여 달성될 수 있으며, 바람직하게는, 상기 전지셀들의 일측 또는 양측에 배치된 회로 기판에 의해 전극단자들이 전기적으로 연결되어 있는 구조일 수 있다.
구체적으로, 상기 전지셀은 일측으로 전극단자들이 돌출되어 있는 판상형 전지셀이고, 전지셀들의 전지단자 측에 배치된 회로 기판에 의해 전기적으로 연결되어 있는 구조일 수 있다.
회로 기판에 의한 전기적 연결은 기판의 회로에 의해 전기적 연결이 이루어지므로, 전체적으로 매우 간소한 구조를 가지며, 특히, 전지팩이 적용되는 디바이스의 사양에 따라 전지팩이 전체적으로 매우 얇은 구조를 가질 필요가 있을 때 특히 바람직하다.
전지셀의 종류 역시 매우 다양할 수 있는 바, 바람직하게는 리튬 이차전지일 수 있지만, 이들만으로 한정되지 않음은 물론이다.
본 발명은 또한 상기 전지팩을 전원으로 포함하고 있는 디바이스를 제공한다.
본 발명에 따른 전지팩이 사용될 수 있는 디바이스의 바람직한 예로는, 노트북 컴퓨터, 넷북, 태플릿 PC, 스마트 패드 등과 같은 모바일 디바이스를 들 수 있다.
이러한 모바일 디바이스는 한번 충전으로 장시간 사용의 가능하고 경박 단소된 디자인이 요구되는 최근의 경향을 고려할 때, 그에 따라 크기 대비 용량이 크고 두께가 얇은 구조의 전지팩이 요구된다. 그러나, 이러한 요건을 동시에 만족하기 위한 전지팩이 장착되는 모바일 디바이스의 내부 공간은 종래와는 달리 일정한 크기, 예를 들어, 규격화된 직육면체 형상을 갖기 어려운 실정이다. 즉, 두께가 얇은 모바일 디바이스는 이를 구성하는 부품들의 장착 위치 등으로 인해, 전지팩이 장착될 수 있는 공간이 매우 제한적이고 규격화되기 어려운 측면이 있다. 반면에, 본 발명에 따른 전지팩은 다양한 크기 내지 용량을 가진 전지군들에 의해 전지셀의 배치에 유연성이 매우 높으므로, 이러한 문제점들을 일거에 해결할 수 있다.
상기와 같은 디바이스 내지 장치들은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
도 1은 종래기술에 따른 4개의 단위전지들이 내장된 상태에서의 카트리지의 사시도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전지군들이 배열되어 있는 상태를 보여주는 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 둘 이상의 전지셀들이 직렬로 구성된 전지군들이 병렬로 연결된 상태를 보여주는 회로도이다;
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전압 밸런싱을 나타내는 그래프이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
우선, 도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 단위전지들이 배열되어 있는 전지군들을 보여주는 모식도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 전지팩(300)은 용량이 다른 3 종류의 전지군들(574160L1, 474160L1, 614439L1)로 구성되어 있다. 전지군(574160L1)은 동일한 크기와 용량을 가진 2개의 전지셀들(101a, 101b)로 이루어져 있고, 전지군(474160L1)은 동일한 크기와 용량을 가진 2개의 전지셀들(102a, 102b)로 이루어져 있으며, 전지군(614439L1)은 동일한 크기와 용량을 가진 2개의 전지셀들(103a, 103b)로 이루어져 있다.
각각의 전지셀들(101a, 101b, 102a, 102b, 103a, 103b)은 동일한 전기화학적 특성, 즉, 동일한 전극 활물질, 전해액 등을 포함하고 있고, 크기에 따라 용량이 결정되는 전지셀이다. 또한, 전지셀들(101a, 101b, 102a, 102b, 103a, 103b)은 양극 및 음극 단자들이 각각 상부로 돌출된 판상형 구조로 이루어져 있다. 서로 다른 전지군에 속하는 전지셀들(101a, 102a, 103a)이 상호 인접하여 좌측에 위치하고, 마찬가지로 전지셀들(101b, 102b, 103b)이 상호 인접하여 우측에 위치하며, 이들은 전지팩(300)의 중심을 기준으로 대칭 구조를 형성하면서 전체적으로 판상 배열되어 있다.
따라서, 도 2에서와 같이, 전지셀들(102a, 102b)의 하단부는 전지셀들(101a, 101b, 103a, 103b)의 하단보다 전체적으로 만입된 형태를 가지며, 이러한 구조로 인해 전지팩(300)이 적용되는 디바이스의 내부 구조에 따라 설계의 유연성을 발휘할 수 있다.
경우에 따라서는, 도 2의 구조와는 달리, 전지셀들(102a, 102b)이 전지팩(300)의 양측으로 배열된 구조나, 전지셀들(101a, 101b, 103a, 103b) 사이에 선택적으로 배열되는 구조도 가능할 수 있다.
서로 용량이 다르며 상호 인접해 있는 좌측의 전지셀들(101a, 102a, 103a)과 우측의 전지셀들(101b, 102b, 103b)은 각각 병렬 연결되어 뱅크를 형성한다. 또한, 이들 뱅크들은 직렬 연결을 이룬다.
이러한 전지적 연결은 전지셀들(101a, 101b, 102a, 102b, 103a, 103b)의 전극단자 측에 위치하는 회로 기판(200)에 의해 달성된다.
예를 들어, 전지군(474160L1)에서 전지셀(102a)의 양극단자(+)는 회로 기판(200)을 경유하여 전지군(574160L1)에서 전지셀(101a)의 양극단자(+)와 연결되어 있고, 전지셀(102a)의 음극단자(-)는 회로 기판(200)을 경유하여 전지셀(101a)의 음극단자(-)에 연결되어 있다. 이러한 연결은 전지군(614439L1)에도 적용되어, 전지군들(574160L1, 474160L1, 614439L1) 상호 간은 병렬 연결되어 있다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 직렬 연결된 둘 이상의 전지셀들로 구성된 전지군들이 병렬로 연결된 상태를 보여주는 회로도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전압 밸런싱을 나타내는 그래프가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 다수의 전지셀들(도시하지 않음)이 직렬로 연결되어 적어도 하나의 전지군을 형성하고, 그러한 구조를 가진 다수의 전지군들(A, B, C)이 병렬로 연결되어 병렬 그룹들(VBank1, Vbank2)을 형성한다. 각 전지군에서의 전지셀들(도시하지 않음)의 수는 특별히 한정되는 것은 아니며, 또한, 전지팩에 내장되는 전지군들의 수 역시 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 전지군들 상호 간의 용량 내지 크기가 다른 전지셀들은 상호 병렬 연결되어 있으므로, 최초 인가전류(i) 값으로 충전이 진행되는 동안, 전지군들은 내장된 전지셀의 용량 내지 크기에 대응하는 전류값(ia, ib, ic)을 흘려주며 CC-CV 충전 방식에 의해 충전됨으로써, 전지군들 사이에 전압 밸런싱이 자연스럽게 이루어질 수 있다.
여기서, 상호 간의 용량 내지 크기가 다른 전지셀들로 이루어진 각각의 전지군들의 충전 전류량에 대한 실험값을 하기 <표 1>에 나타내었다.
표 1
Figure PCTKR2013001144-appb-T000001
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 용량 내지 크기가 큰 전지셀들로 이루어진 전지군이 더 큰 전류값이 인가되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 큰 용량의 전지군(574160L1)에는 더 큰 전류값(ic)이 인가되고, 작은 용량의 전지군(614439L1)에는 가장 작은 전류값(ia)이 인가됨으로써, 전지팩 전체의 전압 밸런싱이 이루어진다.
구체적으로, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전압 자동 밸런싱 측정 결과를 나타내는 그래프에 대한 실험 데이터를 하기 <표 2>에 나타내었다.
표 2
Figure PCTKR2013001144-appb-T000002
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 각각의 전지군(574160L1, 474160L1, 614439L1)에 해당하는 크기의 전류를 일정한 전류값으로 최초 충전하여 서서히 감소시키는 충전 방식(CC-CV)으로 진행되고, 병렬 연결된 각각의 전지군들(574160L1, 474160L1, 614439L1)의 용량 내지 크기에 대응하여 충전 전류가 인가된다. 따라서, 각각의 병렬 그룹들(VBank1, Vbank2)의 전압 밸런싱이 유지되고, 전지의 RSOC (Relative State Of Charge)를 통해 전지가 완충된 상태를 확인 할 수 있다.
충전 방식(CC-CV)에 대해서는 당업자에게 공지되어 있는 기술이므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전지팩은 디바이스의 디자인 형상에 대응하도록 전지셀들을 조합하여 전지팩의 디자인을 구성함으로써, 고용량 성능을 유지하면서도 전압 밸런싱, 전기 배선 등의 문제점을 해결할 수 있는 특징을 갖는다.

Claims (15)

  1. 충방전이 가능한 전지셀들이 전기적으로 연결되어 있는 전지팩으로서, 용량 내지 크기가 서로 다른 두 종류 이상의 전지군들을 포함하고 있고, 상기 전지군은 각각 용량 내지 크기가 동일한 둘 이상의 전지셀들로 구성되어 있으며, 각각의 전지군 내의 둘 이상의 전지셀들은 직렬 연결되어 있고, 전지군들 상호 간의 전지셀들은 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 동일한 전지군 내의 전지셀들과 전지군들 상호 간의 전지셀들은 동일한 전기화학적 특성을 가진 전지셀들로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 전지군들 상호 간의 전지셀들은 동일한 에너지 밀도를 가지고 크기에 따라 용량이 다른 전지셀들로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전지팩은 용량 내지 크기가 서로 다른 세 종류의 전지군들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 용량 내지 크기가 서로 다른 전지셀들이 상호 인접하여 배열되어 뱅크(bank)를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  6. 제 1 항에 있어서, 모든 전지셀들은 평면 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지군들 상호 간의 전지셀들은 병렬 연결에 의해 전압 밸런싱이 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전지군들은 전지셀의 용량 크기에 대응하는 전류량으로 충전되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 충전은 CC-CV 충전 방식으로 진행되는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 일측 또는 양측으로 전극단자들이 돌출되어 있는 판상형 전지셀인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀들은 이들의 일측 또는 양측에 배치된 회로 기판에 의해 전극단자들이 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 일측으로 전극단자들이 돌출되어 있는 판상형 전지셀이고, 전지셀들의 전지단자 측에 배치된 회로 기판에 의해 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전지팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 리튬 이차전지인 것을 특징으로 하는 전지팩.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 전지팩을 전원으로 포함하는 디바이스.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 디바이스는 노트북 컴퓨터, 넷북, 태플릿 PC, 또는 스마트 패드인 것을 특징으로 하는 디바이스.
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