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KR20230160239A - 다층 가요성 배터리 인터커넥트 및 이의 제조 방법 - Google Patents

다층 가요성 배터리 인터커넥트 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR20230160239A
KR20230160239A KR1020237029577A KR20237029577A KR20230160239A KR 20230160239 A KR20230160239 A KR 20230160239A KR 1020237029577 A KR1020237029577 A KR 1020237029577A KR 20237029577 A KR20237029577 A KR 20237029577A KR 20230160239 A KR20230160239 A KR 20230160239A
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KR
South Korea
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conductive layer
battery
insulating layer
flexible
tabs
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Pending
Application number
KR1020237029577A
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English (en)
Inventor
윌 핀드레이
마크 텔락
케빈 마이클 코클리
말콤 파커 브라운
에밀리 에르난데스
Original Assignee
셀링크 코포레이션
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 셀링크 코포레이션 filed Critical 셀링크 코포레이션
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Abstract

배터리 팩에서 배터리를 상호 연결하기 위한 다층 가요성 배터리 인터커넥트 및 이의 제조 방법이 제공된다. 다층 가요성 배터리 인터커넥트는 두 개의 절연성 층 및 함께 적층되고 절연성 층 사이에 위치되는 두 개의 전도성 층을 포함한다. 하나의 전도성 층이 다른 것보다 두껍다. 더 얇은 전도성 층은 배터리에 연결하기 위한 가요성 탭을 포함하고, 일부 예에서는, 전압 감지 트레이스를 포함한다. 이 가요성 탭의 두께가 얇아 더 높은 용접 품질이 보장되고 용접 중에 에너지를 덜 사용할 수 있다. 이러한 가요성 탭이 용접되는 배터리 셀 접점은 훨씬 더 두꺼울 수 있다. 또한, 두께가 얇아져 가요성 탭에 가용성 링크 통합이 가능하다. 동시에, 두 개의 전도성 층은 인터커넥트 내에서 집합적으로 전류를 전도하며, 층가 두꺼울수록 전체 전류 전달 용량이 향상된다. 전기 연결 및 기계적 지원을 보장하기 위해 두 개의 전도성 층을 함께 용접할 수 있다.

Description

다층 가요성 배터리 인터커넥트 및 이의 제조 방법
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2021년 08월 16일에 출원된 미국 가특허 출원 63/237,333호(문서 번호 CLNKP018P) 및 2021년 03월 24일에 출원된 미국 가특허 출원 63/165,582호(문서 번호 CLNKP016P)의 35 U.S.C. § 119(e)하에서의 이익을 청구하고, 이들 모두 모든 목적을 위해 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
충전식 배터리 셀(battery cell) 및 이들 셀로 조립된 배터리 팩(battery pack)은 모바일(예: 전기 자동차) 및 고정식(예: 그리드) 애플리케이션을 위한 에너지 저장을 제공하기 위한 유망한 기술을 나타낸다. 시장 침투력을 높이려면, 배터리 셀 및 기타 팩 구성요소의 비용을 줄여야 하다. 셀(예: 리튬 이온 셀 및 기타 유형의 셀)은 현재 배터리 팩에서 가장 비싼 구성요소이지만, 셀 비용은 규모의 경제, 새로운 재료 및 디자인 개선으로 인해 미래에 감소할 것으로 예상된다. 또한, 배터리 셀의 성능과 수명이 증가하여 새로운 고내구성 애플리케이션으로 이어질 것이다. 이러한 추세는 배터리 팩의 다른 구성요소, 특히 배터리 인터커넥트(battery interconnect)의 비용, 성능, 및 신뢰성에 더 중점을 둘 것이다. 또한, 이러한 구성요소를 사용하여 배터리 팩을 조립하는 새롭고 효율적인 방법이 필요하다.
많은 종래의 배터리 팩은 복잡한 디자인 및 특징을 갖는 부피가 큰 금속판을 사용하여 조립된다. 이러한 금속판은 개별 배터리 셀을 상호 연결하고 이러한 셀 및/또는 배터리 팩 단자 간에 전류를 전달하다. 예를 들어 과전류 및 열 폭주로부터 개별 셀을 보호하기 위해, 이러한 플레이트와 배터리 셀 연결에 특수 퓨즈 및/또는 커넥터 와이어가 사용된다. 이러한 퓨즈는 팩이 작동하는 동안 일반적일 수 있는 스트레스 및 진동 조건 하에서 깨지기 쉽고 파손될 수 있다. 또한, 각각의 플레이트는 종종 대형 배터리 팩에 여러 개의 플레이트가 필요한 독립형 구성요소이다. 이 개별화된 조립체는 배터리 팩의 비용과 복잡성을 높이고 배터리 팩의 안전성과 강력한 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다
배터리 팩에서 배터리를 상호 연결하기 위한 다층 가요성 배터리 인터커넥트(multilayered flexible battery interconnect) 및 이의 제조 방법이 제공된다. 다층 가요성 배터리 인터커넥트는 두 개의 절연성 층 및 함께 적층되고 절연성 층 사이에 위치되는 두 개의 전도성 층을 포함한다. 하나의 전도성 층이 다른 것보다 두껍다. 더 얇은 전도성 층은 배터리에 연결하기 위한 가요성 탭(flexible tap)을 포함하고, 일부 예에서는, 전압 감지 트레이스(voltage sense trace)를 포함한다. 이 가요성 탭의 두께가 얇아 더 높은 용접 품질이 보장되고 용접 중에 에너지를 덜 사용할 수 있다. 이러한 가요성 탭이 용접되는 배터리 셀 접점은 훨씬 더 두꺼울 수 있다. 또한, 두께가 얇아져 가요성 탭에 가용성 링크(fusible link) 통합이 가능하다. 동시에, 두 개의 전도성 층은 인터커넥트 내에서 집합적으로 전류를 전도하며, 층가 두꺼울수록 전체 전류 전달 용량이 향상된다. 전기 연결 및 기계적 지원을 보장하기 위해 두 개의 전도성 층을 함께 용접할 수 있다.
도 1a는 일부 예에 따라, 셀의 중앙 및 에지 접점을 나타내는 원통형 배터리 셀의 개략적인 평면도이다.
도 1b는 일부 예에 따라, 도 1a의 원통형 배터리 셀의 개략적인 측단면도이다.
도 1c는 일부 예에 따라, 다수의 배터리 셀 및 인터커넥트를 포함하는 배터리 팩의 개략적인 평면도이다.
도 1d 및 도 1e는 추가적인 인터커넥트 예를 갖는 배터리 팩의 개략적인 평면도이다.
도 2a는 일부 예에 따라, 다층 가요성 배터리 인터커넥트의 개략적인 사시도 및 부분 단면도이다.
도 2b는 셀의 중앙 접점(center contact)에 연결하기 위한 가요성 탭에 초점을 맞춘, 도 2a의 다층 가요성 배터리 인터커넥트의 일부에 대한 개략적인 사시도이다.
도 2c는 인터커넥트의 상이한 전도성 층을 예시하기 위해 하나의 절연성 층이 제거된, 도 2a의 다층 가요성 배터리 인터커넥트의 개략적인 사시도이다.
도 2d는 셀의 중앙 접점에 연결하기 위한 가요성 탭에 초점을 맞춘, 도 2c의 다층 가요성 배터리 인터커넥트의 일부에 대한 개략적인 사시도이다.
도 2e는 2개의 전도성 층에 의해 형성되고 2개의 절연성 층 사이에 밀봉된 하나의 버스 바를 나타내는 다층 가요성 배터리의 일부의 개략 단면도이다.
도 3은 일부 예에 따라, 상이한 유형의 가요성 탭 사이의 거리를 식별하는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트의 개략적인 평면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 일부 예에 따라, 다층의 가요성 배터리 인터커넥트에 의해 상호 연결된 4개의 배터리 셀을 도시하는, 배터리 팩의 개략적인 측단면도이다.
도 5a는 일부 예에 따라, 셀에 대한 전기 연결을 형성하기 전의, 배터리 셀 및 다층의 가요성 배터리 인터커넥트의 개략적인 측단면도이다.
도 5b는 중앙 접점 가요성 탭의 일 예를 보여주는, 도 5a의 다층 가요성 배터리 인터커넥트의 개략적인 평면도이다.
도 5c 및 도 5d는 일부 예에 따라, 셀에 대한 전기적 연결을 형성한 후 배터리 셀 및 다층의 가요성 배터리 인터커넥트의 개략적인 측단면도이다.
도 5e는 에지 접점 가요성 탭의 예를 보여주는 다층 가요성 배터리 인터커넥트의 개략적인 평면도이다.
도 6a 내지 도 6d는 일부 예에 따른 다층 가요성 배터리 인터커넥트의 전압 트레이스의 개략적인 평면도이다.
도 6e는 일부 예들에 따라, 배터리 셀 및 전압 트레이스를 포함하는 다층 가요성 배터리 인터커넥트의 개략적인 측단면도이다.
도 6f는 일부 예에 따라, 신호 트레이스 및 신호 트레이스에 연결된 센서를 포함하는 배터리 셀 및 다층 가요성 배터리 인터커넥트의 개략적인 측단면도이다.
도 7a는 4개의 프리즘형 셀의 개략적인 평면도로서, 이들 셀의 원하는 직렬 연결을 예시한다.
도 7b는 도 7a의 4개의 프리즘형 셀의 개략적인 평면도이고, 셀 위에 위치하여 셀을 상호 연결하는 다층 가요성 배터리 인터커넥트의 제 1 전도성 층을 예시한다.
도 7c는 도 7a의 4개의 프리즘형 셀의 개략적인 평면도이고, 셀 위에 위치하여 셀을 상호 연결하는 다층 가요성 배터리 인터커넥트의 제 1 및 제 2 전도성 층을 예시한다.
도 7d는 도 7a의 4개의 프리즘형 셀의 개략적인 평면도이고, 그 위에 위치한 전체 인터커넥트를 예시한다.
도 8은 일부 예에 따라, 다층의 가요성 배터리 인터커넥트를 제조하는 방법에 대응하는 공정 흐름도이다.
도 9는 다층 가요성 배터리 인터커넥트를 제조하는 다른 방법에 대응하는 공정 흐름도이다.
도 10a 내지 도 10f는 다층 가요성 배터리 인터커넥트를 제조하는 데 사용되는 다양한 부품 및 조립체의 개략도이다.
도 11a는 일부 예들에 따라, 배터리 및 배터리에 연결되는 특별히 구성된 연결 부분을 갖는 인터커넥트 회로를 포함하는 배터리 팩 조립체의 개략 단면도이다.
도 11b는 도 11a의 배터리 팩 조립체의 일부에 대한 개략적인 확대 단면도이고, 연결부의 일례를 예시한다.
도 11c는 도 11b의 배터리 팩 조립체 부분의 개략적인 평면도이다.
도 12a는 일부 예에 따라, 전도체 탭의 탭 개구를 보여주는, 배터리 팩 조립체의 일부의 개략적인 평면도이다.
도 12b는 일부 예에 따라, 전도체 탭의 탭 개구를 보여주는, 도 12a의 배터리 팩 조립체 부분의 개략적인 단면도이다.
도 13a 및 13b는 일부 예에 따라, 인터커넥트 회로의 전도체 탭과 배터리 사이에 전기 연결을 형성하기 전과 후의 배터리 팩 조립체의 개략적 단면도이다.
도 13c 및 도 13d는 배터리로의 연결을 형성할 때 전도체 넥(conductor neck)에 가요성을 제공하는 전도체 넥의 부분적 개구의 다른 예를 보여주는, 2개의 전도체 넥의 개략적인 단면 확대도이다.
도 14a는 가용성 링크로서 작동 가능한 전도체 넥의 부분적 개구를 보여주는, 배터리 팩 조립체에 사용하기 위한 인터커넥트 회로의 전도체의 개략적인 평면도이다.
도 14b는 도 14a의 전도체의 개략적인 단면도이고 전도체 넥의 부분 개구를 보여준다.
도 14c는 도 14b의 전도체의 개략적인 확대 단면도이고, 전도체 넥의 부분 개구의 다양한 특성을 식별한다.
본 개시의 실시예에 대한 다음의 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 읽을 때 더 잘 이해될 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수로 인용되고 "하나"("a" 또는 "an")라는 단어로 진행되는 요소 또는 단계는 그러한 배제가 명시적으로 언급되지 않는 한 상기 요소 또는 단계의 복수를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 하다. 또한, "하나의 예(one example)"에 대한 참조는 인용된 특징을 포함하는 추가 예의 존재를 배제하는 것으로 해석되지 않습니다. 또한, 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 특정 속성을 갖는 요소 또는 복수의 요소를 "포함하는(comprising)" 또는 "가지는(having)" 예는 해당 속성을 갖지 않는 추가 요소를 포함할 수 있다.
도입
현대의 많은 배터리 팩은 상호 연결이 필요한 다중 셀을 포함한다. 예를 들어, 전기 자동차에 사용되는 일반적인 배터리 팩은 원통형 배터리 셀, 또는 보다 상세하게는 18650셀, 21700셀, 4680셀 등과 같은 수천 개의 배터리 셀을 갖는다. 많은 배터리 애플리케이션의 성공은 종종 이러한 팩의 배터리 셀 간의 견고하고 안정적이며 저렴한 인터커넥트에 달려 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 일부 기존 인터커넥트는 셀 접점에 연결하기 위해 버스 바라고 할 수 있는 단단한 금속판을 사용한다. 이러한 버스 바는 큰 전류를 전송할 수 있고 약간의 기계적 지원을 제공할 수 있지만 이러한 버스 바는 제조 비용이 비싸다. 예를 들어, 버스 바 제조에는 비용이 많이 들 수 있는 각각의 배터리 모듈에 대한 고유한 툴링(tooling)이 필요하다. 또한, 이러한 버스 바는 비싸고 배터리 셀 단자에 연결하기 어렵다. 이러한 버스 바의 강성은 배터리 셀 및 판의 상대적인 움직임을 방해할 수 있고 이러한 구성요소 사이의 전기 연결을 손상시킬 수 있다. 마지막으로 이러한 버스 바의 두께는 팩 냉각판/시스템의 열 성능을 제한하여 최적화되지 않은 특정 에너지(예: 전기 자동차 애플리케이션의 구동 범위를 낮춤)를 초래한다.
다층 가요성 배터리 인터커넥트는 신뢰할 수 있는 전기적 연결을 제공하도록 특별히 구성되며, 많은 경우에 제조가 더 쉬울 수 있고, 셀 단자에 연결되며, 기존의 인터커넥트보다 배터리 팩에 잘 맞을 수 있다. 다층 가요성 배터리 인터커넥트는 또한 아래에서 추가로 설명하는 것처럼 전류 융합 기능을 제공하다. 전도성 층 두께가 얇기 때문에 일반적으로 저전류 애플리케이션으로 제한되는 기존의 인쇄 회로와 달리, 다층의 가요성 배터리 인터커넥트는 배터리 접점에 용접하는 능력에 영향을 미치지 않으면서 모든 전류 전달 기능을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 인쇄된 전도성 요소의 두께는 일반적으로 높은 종횡비 피처 및 두꺼운 전도체에 적합하지 않은 마스크 및 에칭 기능에 의해 제한된다. 더욱이, 더 두꺼운 층에 필요한 연장된 에칭은 가요성 회로의 생산 비용을 증가시킨다. 동시에, 많은 최신 배터리 셀 및 팩은 팩의 급속 충전 또는 급속 방전과 같이 최소 50A, 심지어 100A 이상의 전류에서 작동할 수 있다. 이것은, 차례로, 충분한 전도성을 제공하기 위해 두꺼운 전도성 층(예를 들어, 적어도 200 마이크로미터 및 심지어 적어도 500 마이크로미터의 두께)의 사용을 필요로 한다.
두꺼운 전도성 층은 다양한 문제를 제시한다는 점에 유의해야 하다. 첫째, 두꺼운 전도성 층(예를 들어, 200 마이크로미터보다 큰 두께를 가짐)은 용접하거나 그렇지 않으면 배터리 셀에 부착하기 어렵다. 전도성 층이 두꺼울수록 용접을 형성하는 데 더 많은 에너지가 필요하므로 배터리 셀에 더 많은 열을 발산하다. 동시에 많은 셀 구성요소(예: 분리막, 전해질)는 열에 민감하며 고온(예: 70℃ 이상의 온도)을 견딜 수 없다. 또한, 두꺼운 전도성 층은 이러한 전도체에서 퓨즈/가용성 링크를 형성할 때 다양한 문제를 제시하다. 가용성 링크는 링크를 통과하는 전류가 이 가용성 링크의 크기에 의해 부분적으로 제어되는 특정 임계값을 초과할 때 배터리 셀에 대한 전기 연결을 제어하고 끊는다. 예를 들어, 두꺼운 전도체를 에칭하면 균일한 폭을 가진 좁은 트레이스를 얻기가 어렵다. 에칭의 경우, 에칭과 관련된 과도한 언더컷(undercut)을 피하기 위해 최소 폭 대 두께 비율(본원에서 "종횡비(aspect ratio)"라고 함)은 일반적으로 4 또는 심지어 5이다. 예를 들어, 가융 링크를 형성하기 위해 200마이크로미터 두께의 전도체가 에칭될 때, 결과적인 폭은 적어도 700-800마이크로미터여야 하며, 이는 대부분의 융합 애플리케이션/배터리 셀 유형에 대해 과도할 수 있다. 또한, 다른 구성요소와 접촉하지 않는 가용성 링크를 형성하는 것은 일반적으로 후면을 식각액으로부터 보호해야 하기 때문에 에칭으로는 불가능하다. 가용성 링크(전도체의 나머지 부분 제외)와의 물리적 접촉은 바람직하지 않으며 가용성 링크의 열 특성/전체 성능을 방해한다.
여기에 설명된 다층 가요성 배터리 인터커넥트는 상술한 종래의 인터커넥트의 다양한 결점을 해결한다. 일부 예에서, 다층 가요성 배터리 인터커넥트는 2개의 절연성 층(예를 들어, 제 1 절연성 층 및 제 2 절연성 층) 및 2개의 전도성 층(예를 들어, 제 1 전도성 층 및 제 2 전도성 층)을 포함한다. 하나의 전도성 층(예를 들어, 제 1 전도성 층)은 다른 전도성 층(예를 들어, 제 2 전도성 층)보다 두껍다. 2개의 전도성 층은 적어도 부분적으로 절연성 층에 의해 절연되고 그 사이에서 밀봉되는 스택을 형성한다. 더 얇은 전도성 층은 스택 외부 및 심지어 절연성 층 외부로 확장되는 가요성 탭을 포함한다. 구체적으로, 더 얇은 제 2 전도성 층은 (동일한 두께의) 가요성 탭을 가져 배터리 셀의 상당한 에너지/열을 필요로 하지 않고 배터리 셀에 대한 전기 연결(예: 용접)을 형성할 수 있다. 더 얇은 전도성 층은 또한 레이저 용접의 품질을 보장하다. 예를 들어, 일반적인 원통형 배터리 셀의 상단 캔 두께는 0.3mm 또는 0.4mm이다. 전도성 층이 캔 두께보다 동일하거나 더 두꺼우면 용접 성능이 저하된다. 따라서 더 두꺼운 배터리에 더 얇은 전도성 층을 용접하면 더 높은 품질의 용접을 제공할 수 있다.
또한, 다양한 가용성 링크가 가요성 탭에 직접 통합될 수 있다. 더 두꺼운 제 1 전도성 층은 상호 연결을 통해 추가 전류 전달 기능을 제공하는 데 도움이 된다. 일부 예에서, 제 1 전도성 층은 제 2 전도성 층보다 적어도 2배 더 두껍다. 이와 같이, 제 1 전도성 층은 다층 가요성 배터리 인터커넥트 내의 1차 전류 캐리어일 수 있다. 제 1 전도성 층의 두께는 제 2 전도성 층의 두께(및 가요성 탭의 두께)를 변경하지 않고 다층 가요성 배터리 인터커넥트의 이러한 전류 운반 능력을 변경하도록 조정될 수 있다.
본 개시의 목적을 위해, 용어 "인터커넥트(interconnect)"은 "인터커넥트 회로(interconnect circuit)", 용어 "전도성 층(conductive layer)" - "전도체(conductor)" 또는 "전도체 층(conductor layer)", 및 용어 "절연성 층(insulating layer)" - "절연체(insulator)"와 상호 교환적으로 사용된다.
일부 예에서, 셀의 동일한 면에 단자를 갖는 배터리 셀 세트를 전기적으로 상호 연결하기 위해 다층의 가요성 배터리 인터커넥트가 사용될 수 있다. 이들 셀은 도 1a 및 도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같이 원통형 전지(예를 들어, 18650 셀, 21700 셀, 4680 셀 등) 또는 도 7a에 도시되고 후술되는 바와 같이 프리즘형 셀일 수 있다. 구체적으로, 도 1a는 일부 예에 따라 제 1 접점(194)(중심 접점이라고도 할 수 있음) 및 제 2 접점(195)(에지 접점이라고도 할 수 있음)을 도시하는 원통형 배터리 셀(192)의 개략적인 평면도이다. 도 1b는 일부 예에 따른, 도 1a의 원통형 배터리 셀(192)의 개략적 측단면도이다.
도 1c는 일부 예에 따라 각각의 배터리 셀(192)에 대한 연결을 형성하는 다중 배터리 셀(192) 및 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)를 포함하는 배터리 팩(190)의 개략적인 평면도이다. 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)는 배터리 팩(190)에서의 하나의 연결 예를 설명하기 위해 전기 다이어그램의 형태로 도시되어 있다. 구체적으로, 도 1c의 이러한 예에서, 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)는 제 1 버스(101) 및 제 2 버스(102)를 포함한다. 각각의 버스는 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이 2개 이상의 전도성 층에 의해 형성된다. 이들 전도성 층 중 하나(예를 들어, 더 얇은 것)는 또한 배터리 셀(192)의 제 1 접점(194) 및 제 2 접점(195)에 연결되는 가요성 탭(142)을 형성한다. 상기 연결은 가요성 탭(142)의 단부에 위치된 접촉 패드(145)에 의해 형성된다. 이 예에서, 배터리 셀(192)의 좌측 열의 제 1/중앙 접점(194)은 제 1 버스(101)의 가요성 탭(142)에 연결된다. 이와 같이 좌측 및 중앙 열의 모든 셀(192)은 병렬로 연결된다. 배터리 셀(192)의 중간 행의 제 2/에지 접점(195)은 제 2 버스(102)의 가요성 탭(142)에 연결된다. 이와 같이, 제 1 버스(101) 및 제 2 버스(102)는 배터리 셀(192)의 중간 행에 의해 직렬로 연결되어야 한다. 제 2 버스(102)의 각각의 가요성 탭(142)은 중간 행에 있는 2개의 인접한 셀(192)에 연결되거나, 보다 구체적으로 중간 행에 있는 2개의 인접한 셀(192)의 제 2/에지 접점(195)에 연결된다는 점에 주목한다. 이 이중 에지 접점은 2개의 인접한 셀(192)의 제 2/에지 접점(195)이 서로 옆에 위치하고 동일한 접촉 패드(145)로 달성될 수 있기 때문에 가능하다. 제 1/중앙 접점(194)에 대한 연결은 이 예에서 제 2/에지 접점(195)에 의해 이들 접점이 둘러싸이기 때문에 개별적입니다. 마지막으로, 배터리 셀(192)의 우측 열의 제 2/에지 접점(195)도 제 2 버스(102)의 가요성 탭(142)에 연결된다. 이와 같이, 우측 및 중앙 열의 모든 셀(192)은 병렬로 연결된다.
도 1d는 배터리 셀(192)이 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 다른 예와 상호 연결된 배터리 팩(190)의 개략적인 평면도이다. 연결 방식은 도 1c에서와 동일하다. 차이점은 이중 에지 접점을 형성하는 가요성 탭(142)의 위치에 있다. 도 1c를 참조하면, 왼쪽 행과 오른쪽 행에서 배터리 셀(192)에 대한 이중 에지 접점을 형성하는 가요성 탭(142)은 X축선을 따라 서로에 대해 정렬된다. 이제 도 1을 참조한다. 도 1d에서, 왼쪽 행 및 오른쪽 행에서 배터리 셀(192)에 대한 이중 에지 접점을 형성하는 가요성 탭(142)은 Y축선을 따라 배터리 피치(battery pitch)만큼 이동된다. 본 개시의 목적을 위해, "배터리 피치"라는 용어는 동일한 열에 위치된 2개의 인접한 배터리의 중심 사이의 거리로 정의된다. 원통형 셀의 경우, 배터리 피치는 셀 직경에 같은 줄에 있는 두 셀 사이의 간격을 더한 것과 같다.
도 1e는 배터리 셀(192)이 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 또 다른 예와 상호 연결된 배터리 팩(190)의 개략적인 평면도이다. 다시, 연결 방식은 도 1c와 동일하다. 그러나, 도 1e의 다층 플렉서블 배터리 인터커넥트(100)는 여분의 에지 접점을 제공하기 위해 보다 가요성 탭(142)을 갖는다. 구체적으로, 각각의 배터리 셀(192)은 제 2/에지 접점(195)에 연결된 2개의 상이한 가요성 탭(142)을 갖는다. 이러한 중복은 모든 셀이 상당한 무게 및 비용 불이익 없이 연결 상태를 유지하는 것을 보장하는 데 도움이 된다.
인터커넥트 회로 및 배터리 팩의 예
도 2a는 일부 예에 따라 배터리 팩(190)에서 배터리 셀(192)을 상호 연결하기 위한 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 개략적인 사시도이다. 도 2a의 단면도를 참조하면, 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)는 제 1 절연성 층(110), 제 2 절연성 층(120), 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)을 포함한다. 제 1 전도성 층(130)은 제 1 절연성 층(110)과 제 2 절연성 층(120) 사이에 배치되고 제 1 절연성 층(110)과 직접 접한다. 제 2 전도성 층(140)은 제 1 전도성 층(130)과 제 2 절연성 층(120) 각각 사이에 배치되어 직접 접한다. 또한, 제 1 전도성 층(130)은 제 2 전도성 층(140)보다 두껍다(즉, TFCL > TSCL). 제 1 절연성 층(110), 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)의 대부분은 도 2a의 사시도에서는 보이지 않는다.
도 2a의 사시도를 참조하면, 제 2 전도성 층(140)은 가요성 탭(142)을 포함한다. 가요성 탭(142)은 예를 들어 도 2b에 개략적으로 도시된 바와 같이 배터리 셀(192)에 전기적 연결을 만드는 데 사용된다. 예를 들어, 도 2b는 2개의 가요성 탭(142)을 예시한다. 상부 탭은 배터리 셀(192)의 에지 접점(개략적으로 점선으로 도시됨)에 연결되도록 구성되며 에지 접점 가요성 탭(149)으로 지칭될 수 있다. 하부 탭은 배터리 셀(192)의 중심 접점이며 중심 접점 가요성 탭(148)으로 지칭될 수 있다. 이러한 두 개의 가요성 탭(142)(중심 접점 가요성 탭(148) 및 에지 접점 가요성 탭(149))은 서로 다른 버스(및 제 2 전도성 층(140)의 상이한 부분)의 버스라는 점에 주목해야 한다.
제 1 전도성 층(130)은 예를 들어 직접 인터페이싱 및/또는 용접에 의해 제 2 전도성 층(140)에 전기적으로 연결된다. 보다 구체적으로, 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)은 전도성 스택으로 지칭될 수 있는 스택(도 2a의 단면도에 도시된 바와 같음)을 형성한다. 제 2 전도성 층(140) 또는 보다 구체적으로 제 2 전도성 층(140)의 가요성 탭(142)은 배터리 셀(192)에 연결하고 배터리 셀(192)과 전도성 스택 사이에서 전류를 전도하는 역할을 한다. 그러나, 전도성 스택 내에서, 전류는 주로 더 두꺼운 제 1 전도성 층(130)에 의해 전달된다. 실제로, 통전 능력은 제 1 전도성 층(130)과 제 2 전도성 층(140)의 상대 단면에 의해 결정되며, 이들 단면은 층 두께에 비례한다.
일부 예에서, 제 1 전도성 층(130)은 제 2 전도성 층(140)보다 적어도 2배 더 두껍고, 보다 구체적으로는 적어도 3배 더 두껍다. 동일한 또는 다른 예에서, 제 1 전도성 층(130)은 적어도 300 마이크로미터 또는 심지어 적어도 350 마이크로미터의 두께를 갖는 반면, 제 2 전도성 층(140)은 200 마이크로미터 미만 또는 심지어 150 마이크로미터 미만의 두께를 갖는다. 예를 들어, 제 1 전도성 층(130)은 400 마이크로미터의 두께를 갖고, 제 2 전도성 층(140)은 125 마이크로미터의 두께를 갖는다. 전술한 바와 같이, 제 1 전도성 층(130)의 두꺼운 두께는 다층의 가요성 배터리 인터커넥트(100)를 통해 적어도 50A 및 심지어 100A보다 큰 상당한 전류를 전도하는 것을 허용한다. 또한, 제 1 전도성 층(130)의 두꺼운 두께는 알루미늄과 같은 덜 전도성인 재료를 사용하는 것을 허용한다(전도성이 2배 더 높지만 상당히 더 비싸고 훨씬 더 높은 비중을 갖는 구리와 비교하여). 동시에, 제 2 전도성 층(140)의 더 얇은 두께는 상당한 에너지를 사용하지 않고(결과적으로 배터리 셀(192)을 가열하지 않고) 배터리 셀(192)에 가요성 탭(142)을 용접할 수 있게 한다.
일부 예에서, 제 1 전도성 층(130)은 제 1 전도성 층(130)의 전체 경계에 걸쳐 균일한 두께를 갖는다. 예를 들어, 제 1 전도성 층(130)은 동일한 금속 시트로 형성될 수 있다. 제 1 전도성 층(130)의 상이한(분리된) 부분(동일한 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 상이한 버스를 형성함)은 동일한 금속 시트로 형성될 수 있다. 동일한 또는 다른 예에서, 제 2 전도성 층(140)은 제 2 전도성 층(140)의 전체 경계에 걸쳐 균일한 두께를 갖는다.
일부 예에서, 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)은 동일한 재료, 예를 들어 알루미늄으로 형성된다. 구리 대신 알루미늄을 사용하면 구리에 비해 알루미늄의 저항률이 높고 용융 온도가 낮기 때문에 달성 가능한 최소 용융 전류 등급을 낮추는 데 도움이 될 수 있다. 이와 같이, 알루미늄 전도성 층에 가용성 링크를 형성하면 가용성 매개변수를 보다 정밀하게 제어할 수 있다. 대안적으로, 제 1 전도성 층(130)과 제 2 전도성 층(140)은 서로 다른 재료로 형성된다. 예를 들어, 제 1 전도성 층(130)은 알루미늄으로 형성되고, 제 2 전도성 층(140)은 구리로 형성된다. 일반적으로, 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)은 충분히 전도적인(예를 들어, 전도도가 10^6 S/m보다 크거나 심지어 10^7 S/m보다 커서) 임의의 전도성 재료로 형성될 수 있어 낮은 전력 손실을 갖는 호일을 통한 전류 흐름을 허용한다.
일부 예에서, 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)은 낮은 전기 접촉 저항을 제공하고 및/또는 내부식성을 개선하기 위한 표면 서브층 또는 코팅을 포함할 수 있다. 표면 서브층은 납땜, 레이저 용접, 저항 용접, 초음파 용접, 전도성 접착제와의 본딩 또는 기계적 압력을 포함하지만 이에 제한되지 않는 기술/재료를 사용하여 전기적 상호 연결을 형성하는 것을 도울 수 있다. 이러한 연결 방법에 적합한 표면을 제공할 수 있는 표면 서브층에는 주석, 납, 아연, 니켈, 은, 팔라듐, 백금, 금, 인듐, 텅스텐, 몰리브덴, 크롬, 구리, 이들의 합금, 유기 납땜성 방부제(OSP) 또는 기타 전기 전도성 재료를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 또한, 표면 서브층은 스퍼터링, 도금, 냉간 용접, 또는 다른 수단을 통해 적용될 수 있다. 일부 예에서, 표면 서브층의 두께는 0.05 마이크로미터 내지 10 마이크로미터, 보다 구체적으로 0.1 마이크로미터 내지 2.5 마이크로미터의 범위일 수 있다. 또한, 일부 예에서, 표면 서브층 위에 OSP 코팅을 추가하면 표면 서브층 자체가 시간 경과에 따라 산화되는 것을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 상기 표면 서브층은 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)의 베이스 서브층이 알루미늄 또는 그 합금을 포함하는 경우에 사용될 수 있다. 보호 장치가 없으면, 노출된 알루미늄 표면은 절연성인 자연 산화물을 형성하는 경향이 있다. 산화물은 산소나 습기가 있을 때 쉽게 형성된다. 이 경우 장기적으로 안정된 표면을 제공하기 위해, 표면 서브층은 산소 및/또는 수분의 내부확산에 대해 내성을 가질 수 있다. 예를 들어, 아연, 은, 주석, 구리, 니켈, 크롬 또는 금 도금이 알루미늄 함유 베이스 층 상의 표면층으로 사용될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 일부 예에서, 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)은 서로 분리된 다수의 용접 위치(109)에서 함께 용접된다. 예를 들어, 용접 위치(109)는 레이저 용접에 의해 형성되지만, 다른 형태의 용접도 범위 내에 있다(예를 들어, 초음파 용접, 저항 용접). 이러한 용접 위치(109)는 제 1 전도성 층(130)과 제 2 전도성 층(140) 사이의 전류 전도를 돕는다. 또한, 이러한 용접 위치(109)는 제 1 전도성 층(130)과 제 2 전도성 층(140)의 배향을 유지하고 이들 층을 서로에 대해 지지하는 것을 돕는다. 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)에 대한 추가적인 지지는 제 1 절연성 층(110) 및 제 2 절연성 층(120)에 의해 제공될 수 있으며, 예를 들어, 제 1 절연성 층(110) 및 제 2 절연성 층(120)은 전도성 스택을 지나 연장되고 서로에 대해 직접 라미네이팅되어 형성되어 도 2e에 도시되고 도면을 참조하여 아래에서 설명된 바와 같이 전도성 스택 주위에 엔벨로프형 구조를 형성한다.
가요성 탭(142)은 전도성 스택의 경계를 지나서, 보다 구체적으로는 제 1 전도성 층(130)의 경계를 지나서 연장된다는 점에 유의해야 한다. 가요성 탭(142)은 또한 제 1 절연성 층(110)과 제 2 절연성 층(120)의 경계를 지나서 연장되어 배터리 셀(192)과의 전기 연결을 형성한다. 보다 구체적으로, 가요성 탭(142)에 접근하기 위해 제 1 절연성 층(110) 및 제 2 절연성 층(120)에 다양한 개구가 형성된다. 이러한 개구는 배터리 셀(192)의 접점과 정렬되어 가요성 탭(142)이 개구 내로 돌출되도록 한다. 보다 구체적으로, 배터리 셀(192)에 연결될 때, 가요성 탭(142)은 제 1 절연성 층(110) 내에 형성된 개구로 돌출된다(배터리 셀(192)을 향함). 제 2 절연성 층(120)의 개구는 가요성 탭(142)과 배터리 셀(192) 사이에 전기 연결을 형성하면서 가요성 탭(142)에 접근하는 데 사용된다.
일부 예에서, 제 1 절연성 층(110) 및 제 2 절연성 층(120)의 개구는 이들 절연성 층을 각각의 전도성 층에 라미네이팅하기 전에 형성되는데, 이는 아래에서 더 설명된다. 개구는 펀칭, 플랫베드 다이 커팅, 매치 메탈 다이 커팅, 수/암 다이 커팅, 회전식 다이 커팅, 레이저 커팅, 레이저 어블레이션, 워터젯 커팅, 가공 또는 에칭을 포함하지만 이에 제한되지 않는 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
제 1 절연성 층(110) 및 제 2 절연성 층(120) 중 하나 또는 둘 다의 두께는 1 마이크로미터 내지 500 마이크로미터, 보다 구체적으로 10 마이크로미터 내지 125 마이크로미터일 수 있다. 일부 예에서, 제 1 절연성 층(110) 및 제 2 절연성 층(120) 각각은 예를 들어 전도성 층에 대한 그리고 서로에 대한 라미네이션을 위해 대응하는 전도성 층에 대면하는 적어도 하나의 표면상에 배치된 접착 서브층을 포함한다. 이들 접착 서브층은 또한 도 2e를 참조하여 아래에서 설명되는 바와 같이 제 1 절연성 층(110) 및 제 2 절연성 층(120)(전도성 층 경계 너머)을 직접 라미네이팅하는 데 사용될 수 있다. 일부 예에서, 배터리 셀(192)을 향하는 제 1 절연성 층(110)의 표면은 이러한 배터리 셀(192)에 결합하기 위한 접착 서브층을 포함한다.
제 1 절연성 층(110) 및 제 2 절연성 층(120)은 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)에 대한 전기적 절연 및 기계적 지지를 제공한다. 일부 예에서, 제 1 절연성 층(110) 및 제 2 절연성 층(120)은 초기에 시트 또는 예를 들어 접착 재료를 사용하여 롤 형태로 전도성 층에 후속적으로 라미네이팅될 수 있다. 제 1 절연성 층(110) 및 제 2 절연성 층(120)은 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 에틸 비닐 아세테이트(EVA), 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 폴리아미드(PA) 또는 폴리비닐 부티랄(PVB)을 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 일부 예에서, 제 2 절연성 층(120)은 용접 개구(welding opening; 122)를 포함한다. 다수의 용접 위치(109) 각각은 용접 개구(122) 중 하나 내에 위치된다. 이러한 용접 개구(122)는 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)이 제 1 절연성 층(110)과 제 2 절연성 층(120) 사이에 적층된 후, 용접을 허용한다.
도 2c 및 도 3을 참조하면, 일부 예에서, 가요성 탭(142)은 제 1 방향(X-축선을 따라)으로 연장되는 제 1 탭 세트(143) 및 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 연장되는 제 2 탭 세트(144)를 포함한다. 제 1 탭 세트(143)는 한 열에 위치한 배터리 셀(192)과의 전기적 연결을 형성하는 데 사용되고, 제 2 탭 세트(144)는 인접 열에 위치한 배터리 셀(192)과 전기적 연결을 형성하는 데 사용된다. 제 1 탭 세트(143) 및 제 2 탭 세트(144)는 임의의 유형의 플렉스 탭(142)에 의해 형성될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 도 2c는 중앙 접점 플렉스 탭(148)에 대한 제 1 탭 세트(143) 및 제 2 탭 세트(144)를 식별하는 반면, 도 3은 에지 접점 가요성 탭(149)에 대한 제 1 탭 세트(143) 및 제 2 탭 세트(144)를 식별한다. 제 1 탭 세트(143) 및 제 2 탭 세트(144)는 단순히 동일한 버스 상의 탭의 위치를 구별하기 위해 사용된다.
도 3은 상이한 유형의 탭 및 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100) 내의 이들 탭의 상대적인 위치를 예시한다. 이러한 탭 배열체가 도 1c에 제시되고 위에서 설명한 개략적인 예에 대응한다는 점에 주목하여야 한다. 구체적으로, 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)는 제 1 버스(101) 및 제 2 버스(102)를 포함한다. 제 1 버스(101) 및 제 2 버스(102) 각각은 가요성 탭(142)을 포함하는 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)을 포함한다(또는 이에 의해 형성된다). 제 1 버스(101) 및 제 2 버스(102)의 전도성 구성요소는 서로 직접 연결되지 않는다. 그러나, 이들 전도성 구성요소는 배터리 셀(192)을 통해 상호연결될 수 있다. 제 1 버스(101)와 제 2 버스(102)는 서로에 대한 제 1 버스(101)와 제 2 버스(102)의 기계적 지지를 위해 사용될 수 있는 제 1 절연성 층(110)과 제 2 절연성 층(120)을 공유한다.
도 3을 참조하면, 제 1 버스(101)와 제 2 버스(102)는 서로 다른 유형의 가요성 탭(142)을 갖는다. 구체적으로, 제 1 버스(101)를 형성하는 제 2 전도성 층(140)의 가요성 탭(142)은 배터리 셀(192)의 제 1/중앙 접점(194)에 연결되도록 구성되고, 에지 접점 가요성 탭(148)으로 지칭된다. 한편, 제 2 버스(102)를 형성하는 제 2 전도성 층(140)의 가요성 탭(142)은 배터리 셀(192)의 제 2/에지 접점(195)에 연결하도록 구성되고 에지 접점 가요성 탭(149)으로 지칭된다. 일부 예에서, 각각의 에지 접점 가요성 탭(149)은 2개의 인접한 배터리 셀(192)의 에지 접점(195)에 연결되도록 구성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 배터리 셀(192)에는 하나의 에지 접점 가요성 탭(149) 및 하나의 중앙 접점 가요성 탭(148)이 연결된다. 도 1d를 참조하여 위에서 설명된 일부 예에서, 2개의 에지 접점 가요성 탭(149) 및 1개의 중앙 접점 가요성 탭(148)이 각각의 배터리 셀(192)에 연결된다. 어느 경우든, 에지 접점 가요성 탭(149) 및 중앙 접점 가요성 탭(148) 모두는 동일한 배터리 열 위로 연장된다. 서로 맞물린 조립체를 형성하는 셀(192). 에지 접점 가요성 탭(149) 및 중앙 접점 가요성 탭(148) 모두가 서로 다른 방향으로 연장되는 제 1 탭 세트(143) 및 제 2 탭 세트(144)를 갖는다는 점에 유의해야 한다.
(동일하거나 다른 세트 및/또는 동일하거나 다른 버스에 있는) 가요성 탭(142) 사이의 다양한 간격이 도 3에 도시되어 있다. 일부 예에서, 제 1 탭 세트(143)는 배터리 팩(190)의 배터리 피치의 절반만큼 제 2 탭 세트(144)에 대해 오프셋된다. 이 오프셋은 중앙 접점 가요성 탭(148) 및 에지 접점 가요성 탭(149)에 적용된다.
도 3의 예에서 중앙 접점 가요성 탭(148)을 참조하면, 일부 예에서, 제 1 탭 세트(143)의 임의의 2개의 인접한 탭은 배터리 팩(190)의 배터리 피치만큼 이격되어 있다. 또한, 제 2 탭 세트(144)의 임의의 2개의 인접한 탭은 배터리 팩(190)의 배터리 피치만큼 이격되어 있다.
도 3의 예에서 에지 접촉 가요성 탭(149)을 참조하면, 일부 예에서, 임의의 2개의 인접한 에지 접촉 가요성 탭(149)은 배터리 팩(190)의 배터리 피치 또는 배터리 피치의 2배만큼 이격된다. 보다 구체적으로, 제1 탭 세트(143)의 임의의 2개의 인접한 탭은 배터리 팩(190)의 배터리 피치 또는 배터리 피치의 2배만큼 이격된다. 마찬가지로, 제 2 탭 세트(144)의 임의의 2개의 인접한 탭은 배터리 팩(190)의 배터리 피치 또는 배터리 피치의 2배만큼 이격된다.
도 2b는 제 2 전도성 층(140)의 나머지 부분에 대해 접촉 패드(145)를 연결 및 지지하는 접촉 패드(145) 및 가용성 링크(146)를 포함하는 중앙 접점 가요성 탭(148)을 예시한다. 접촉 패드(145)는 배터리(192) 중 하나의 중앙 접점(195)에 연결하도록 구성된다. 또한, 제 2 절연성 층(120)은 가용성 링크(146) 및 접촉 패드(145)의 적어도 대부분이 접촉 개구(123) 내로 돌출되도록 접촉 개구(123)를 포함한다. 이와 같이, 가용성 링크(146)는 제 2 절연성 층(120)(가용성 링크(146)가 제 1 절연성 층(110)에 의해 적어도 부분적으로 지지될 수 있지만)의 열 질량에 의해 영향을 받지 않는다. 또한, 접촉 개구(123)는 접촉 패드(145)를 배터리 셀(192)의 제 1/중앙 접점(194)에 용접할 때 접촉 패드(145)에 대한 접근을 제공한다.
도 2b 및 도 5a, 5b 및 5e를 참조하면, 일부 예에서 제 2 절연성 층(120)은 접촉 개구(123)를 적어도 부분적으로 정의하는 지지 탭(124)을 포함한다. 접촉 패드(145)의 일부는 지지 탭(124)에 접착된다. 적어도 배터리 셀(192)에 대한 전기 연결을 형성하기 전에, 지지 탭(124)은 접촉 패드(145)를 지지한다. 일부 예에서, 접촉 패드(145)는 이러한 전기 연결을 형성하는 동안 지지 탭(124)으로부터 분리된다. 대안적으로, 접촉 패드(145)는 예를 들어 도 5c에 개략적으로 도시된 바와 같이 전기 연결이 형성된 후에도 지지 탭(124)에 접착된 채로 남아 있다. 또 다른 예에서, 지지 탭(124)은 예를 들어 도 5d에 개략적으로 도시된 바와 같이 이러한 전기 연결을 형성하는 동안 제 2 절연성 층(120)의 나머지 부분으로부터 분리된다.
도 2b 및 도 5a, 5b 및 5e를 참조하면, 일부 예에서, 제 2 절연성 층(120)은 지지 탭(124)과 제 2 절연성 층(120)의 나머지 부분 사이의 인터페이스를 따라 연장되는 가요성 슬릿(flexible slit; 125)을 포함한다. 예를 들어 접촉 패드(145)가 배터리 셀을 향하고 이 셀에 대한 전기적 연결을 형성할 때, 가요성 슬릿(125)은 지지 탭(124)의 면외 굽힘(X-Y 평면)을 돕는다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 일부 예에서 가용성 링크(146)의 적어도 일부는 제 1 절연성 층(110)에 접착된다. 예를 들어, 제 1 절연성 층(110)은 제 1 절연성 층(110) 및 제 2 절연성 층(120)에 의해 형성된 에지를 넘어 연장되는 링크-지지 탭(114)을 포함한다. 가용성 링크(146)의 한 표면이 제 1 절연성 층(110)에 접착되는 동안 가용성 링크(146)의 다른 표면은 노출되어 가용성 링크(146)의 성능에 대한 절연성 층의 영향을 감소시킨다는 점에 유의해야 한다.
도 2b 및 도 5e를 참조하면, 일부 예에서 에지 접점 가요성 탭(149)은 접촉 패드(145) 및 가요성 넥(147)을 포함한다. 가요성 넥(147)은 에지 접점 가요성 탭(149)의 나머지 부분에 대해 접촉 패드(145)를 연결하고 지지한다. 가용성 링크(146)와 달리, 가요성 넥(147)은 훨씬 더 넓고 전류 제어 기능을 제공하지 않는다. 그러나, 가요성 넥(147)은 이 에지 접점 가요성 탭(149)의 접촉 패드(145)가 각각의 에지 접점(195)에 연결될 때 2개의 배터리 셀(192)로부터의 전류를 지원할 수 있다. 전체적으로, 일부 예에서, 접촉 패드(145)는 동시에 배터리(192) 중 2개의 인접한 배터리의 에지 접점(195)에 연결된다. 이러한 연결은 도 5e에 용접 존으로서 개략적으로 도시된다.
도 5e를 참조하면, 일부 예에서, 제 2 절연성 층(120)은 접촉 개구(123)를 포함한다. 가요성 넥(147) 및 접촉 패드(145)의 대부분은 접촉 개구(123) 내로 돌출한다. 에지-접점 가요성 탭(149)이 배터리 셀(192)와 연결을 형성할 때, 접촉 패드(145)의 접촉 개구(123)는 면외 굽힘(X-Y 평면)을 허용한다 . 또한, 접촉 개구(123)는 이러한 연결을 형성하는 동안 접촉 패드(145)에 접근할 수 있게 한다.
도 2e를 참조하면, 일부 예에서, 제 1 절연성 층(110)과 제 2 절연성 층(120)은 서로 직접 접착하여 제 1 전도성 층(130)과 제 2 전도성 층(140)의 부분 주위에 경계를 형성한다. 이 특징은 제 1 전도층(130) 및 제 2 전도층(140)이 함께 용접되기 전에 이들의 배향을 유지하는 데 도움이 된다. 또한, 이 기능은 이러한 전도성 층 부분을 환경으로부터 밀봉하여 예를 들어 전기 단락 및/또는 부식을 방지하다.
일부 예에서, 더 두꺼운 전도성 층이 배터리 셀과 더 얇은 전도성 층 사이에 위치함으로써 더 얇은 전도성 층(즉, 배터리 셀의 반대측으로부터)에 대한 접근을 제공한다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제 1 전도성 층(130)은 제 2 전도성 층(140)보다 두껍다. 제 2 전도성 층(140)은 예를 들어 제 2 전도성 층(140)을 제 1 전도성 층(130)에 용접하고 용접 위치(109)를 형성하기 위해 제 2 절연성 층(120)의 용접 개구(122)를 통해 액세스될 수 있다. 일부 예에서, 이 용접은 가요성 탭(142)이 배터리 셀(192)에 용접될 때 동시에 수행된다. 구체적으로, 도 4a는 2개의 인접한 배터리 셀(192)에 각각 연결된 에지 접점 가요성 탭(149)을 예시한다. 도 4b는 중앙 접점 가요성 탭(148)을 도시하며, 각각은 하나 또는 배터리 셀들(192)에 연결된다.
일부 예에서, 더 얇은 전도성 층이 배터리 셀과 더 두꺼운 전도성 층 사이에 배치되어 가요성 탭(더 얇은 전도성 층의 일부임)을 배터리 셀에 더 가깝게 배치하다. 즉, 가요성 탭은 배터리 셀에 도달하기 위해 면외 굴곡이 더 작아야 하다. 도 4c 및 도 4d를 참조하면, 제 1 전도성 층(130)은 제 2 전도성 층(140)보다 얇다. 이 예에서, 가요성 탭(142)은 제 1 전도성 층(130)의 일부이다. 도 4c는 각각 2개의 인접한 배터리 셀(192)에 연결된 에지 접점 가요성 탭(149)을 예시한다. 도 4d는 각각 하나 또는 배터리 셀들(192)에 연결된 중앙 접점 가요성 탭(148)을 예시한다.
전술한 바와 같이, 가요성 탭(142)은 배터리 셀에 대한 전기적 연결을 형성하기 전에 나머지 전도성 층과 평면에 위치된다. 도 5a는 배터리 셀(192)에 대한 전기 연결을 형성하기 전의 배터리 셀(192) 및 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 개략적인 측단면도이다. 이 예에서, 연결은 배터리 셀(192)의 중앙 접점(195)에 형성될 것이다. 도 5b는 도 5a의 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 개략적인 평면도이다. 이 예에서 중앙 접점 가요성 탭(148)으로 지칭될 수 있는 가요성 탭(142)은 지지 탭(124)에 의해 지지된다. 보다 구체적으로, 가요성 탭(142)의 접촉 패드(145)의 일부는 지지 탭(124)에 부착된다.
도 5c 및 도 5d는 배터리 셀(192)에 대한 전기 연결이 형성된 후의 배터리 셀(192) 및 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 개략적인 측단면도이다. 구체적으로, 접촉 패드(145)는 면외로 구부러지고 제 1 절연성 층(110)의 개구로 돌출된다. 제 2 절연성 층(120)의 또 다른 개구는 이 작업 동안 접촉 패드(145)에 대한 액세스를 제공한다. 접촉 패드(145)는 배터리 셀(192)의 중앙 접점(195)와 직접 접촉하고 이 위치에서 중앙 접점(195)에 용접된다. 지지 탭(124)은 접촉 패드(145)에 부착된 채로 남을 수 있다. 도 5d에 도시된 일부 예에서, 지지 탭(124)은 나머지 제 2 절연성 층(120)으로부터 분리된다.
전압 트레이스 예
도 6a 내지 도 6d는 일부 예에 따른 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 전압 트레이스(150)의 개략적인 평면도이다. 예를 들어, 전압 트레이스(150)는 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 각 버스 바에서 전압을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 다시 말해, 각각의 전압 트레이스(150)는 다른 버스 바에 연결되고 이 버스 바에서 전압을 모니터링하는 데 사용된다. 구체적으로, 도 6a는 전압 트레이스(150)가 제 2 전도성 층(140)의 일부인 것을 예시한다. 보다 구체적으로, 각각의 전압 트레이스(150)는 동일한 버스 바를 형성하는 제 2 전도성 층(140)의 대응 부분과 모놀리식이다.
일부 예에서, 전압 트레이스(150)(또는 제 2 전도성 층(140)의 다른 구성요소)는 일부 애플리케이션, 예를 들어 커넥터 단자에 대한 연결 형성에 적합하지 않을 수 있는 재료로 형성된다. 예를 들어, 전압 트레이스(150)는 납땜이 용이하지 않은 알루미늄으로 형성된다. 이러한 예에서, 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)는 예를 들어 도 6b 내지 도 6d에 도시된 바와 같이 전이 트레이스(152)를 포함한다. 전이 트레이스(152)는 전압 트레이스(150)(예: 알루미늄)와 다른 재료(예: 구리)로 형성될 수 있다. 각각의 전압 트레이스(150)는 대응하는 전이 트레이스(152)를 가질 수 있다. 그러나, 전압 트레이스(150) 및 전이 트레이스(152)의 수는 일부 예에서 다를 수 있다(예를 들어, 미사용 트레이스, 하나의 전압 트레이스(150)에 연결된 다수의 전이 트레이스(152) 등). 전이 트레이스(152)는 전압 트레이스(150)와 겹칠 수 있고 전압 트레이스(150)에 용접될 수 있다(예를 들어, 제 2 전도성 층(140)이 제 1 전도성 층(130)에 용접되는 방식으로). 연결(151)은 도 6b 내지 도 6d에서 원으로 개략적으로 도시되어 있다. 그러면 전이 트레이스(152)가 커넥터(154)의 단자(155)에 연결될 수 있다.
도 6c 및 6d를 참조하면, 일부 예에서, 전이 트레이스(152)와 전압 트레이스(150)를 상호 연결하기 위한 다중 옵션이 이용 가능하다. 예를 들어, 절연성 층(156)은 전이 트레이스(152)와 전압 트레이스(150) 사이에 위치한다. 일부 예에서, 절연성 층(156)은 제 1 절연성 층(110) 또는 제 2 절연성 층(120) 중 하나일 수 있다. 또한, 전이 트레이스(152) 및 전압 트레이스(150)은 중복되어 예를 들면, 도 6c 및 도 6d에 개략적으로 도시된 바와 같이, 다-대-다 그리드(many-to-many grid)를 형성한다. 즉, 각각의 전이 트레이스(152)는 다수의 전압 트레이스(150)와 중첩한다. 또한, 각각의 전압 트레이스(150)는 다수의 전이 트레이스(152)와 중첩한다. 예를 들어, 도 6c 및 도 6d는 각각의 전이 트레이스(152)가 모든 전압 트레이스(150)와 겹치도록 서로에 대해 직각으로 연장되는 전이 트레이스(152) 및 전압 트레이스(150)를 예시한다.
전이 트레이스(152)와 전압 트레이스(150)의 이러한 절연, 중첩 및 배향은 상이한 연결 옵션을 허용한다. 구체적으로, 도 1에서. 도 6c에서, 좌측 전이 트레이스(152)는 상부 전압 트레이스(150)에 연결되고, 중간 전이 트레이스(152)는 중간 전압 트레이스(150)에 연결되며, 우측 전이 트레이스(152)는 하부 전압 트레이스(150)에 연결된다. 도 6d에서, 좌측 전이 트레이스(152)는 하부 전압 트레이스(150)에 연결되고, 중간 전이 트레이스(152)는 상부 전압 트레이스(150)에 연결되며, 우측 전이 트레이스(152)는 중간 전압 트레이스(150)에 연결된다. 하나의 전이 트레이스(152)는 다수의 전압 트레이스(150)에 연결될 수 있다. 유사하게, 다수의 전이 트레이스(152)는 동일한 전압 트레이스(150)에 연결될 수 있다. 당업자는 다양한 중첩 및 연결 옵션을 인식할 것이다.
도 6e는, 일부 예에 따라, 배터리 셀(192) 및 전압 트레이스(150)를 포함하는 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 개략적인 측단면도이다. 여기서, 전압 트레이스(150)는 예를 들어 다른 구성요소와 적층된 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)에서 별도의 층(다른 전도성 층과 분리됨)으로서 위치된다. 예를 들어, 제 2 절연성 층(120)은 전압 트레이스(150)의 적어도 일부와 제 2 전도성 층(140) 사이에 위치한다. 제 2 절연성 층(120)은 전압 트레이스(150)가 전도 계층에 의해 형성된 버스 바 중 하나와 연결될 수 있는 개구를 포함한다. 도 6e는 또한 전압 트레이스(150)를 환경으로부터 격리하고 또한 제 2 절연 층(120)에 대해 전압 트레이스(150)를 지지하는 제 3 절연 층(160)을 예시한다.
도 6f는 일부 예에 따라 신호 트레이스(158) 및 신호 트레이스(158)에 연결된 센서(159)를 포함하는 배터리 셀(192) 및 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 개략적인 측단면도이다. 센서(159)의 다양한 예는 열전쌍, 수분 센서, 압력 센서 등과 같은 범위 내에 있다. 일부 예에서, 센서(159)는 전도성 층 중 하나, 예를 들어 도 6f에 도시된 바와 같이 제 2 전도성 층(140)과 직접 인터페이스한다.
상호 연결하는 프리즘형 셀의 예
다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 상기 예는 원통형 배터리 셀과 관련하여 설명되지만, 설명된 특징 중 많은 부분이 각형 배터리 셀에도 적용 가능하다. 도 7a는 4개의 프리즘형 배터리 셀(192)의 개략적인 평면도이며, 이들 셀의 원하는 직렬 연결을 예시한다. 구체적으로, 각각의 배터리 셀(192)은 제 1 접점(194) 및 제 2 접점(195)을 포함한다. 도 7a는 프리즘형 배터리 셀(192)의 교번 플립 위치 및 이들 셀의 직렬 연결을 도시하지만, 다양한 다른 방향 및 연결이 범위 내에 있다.
도 7b는 도 7a의 4개의 프리즘형 셀(192)의 개략적인 평면도이고, 셀(192) 위에 위치하고 상호 연결하는 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 제 2 전도성 층(140)을 예시한다. 제 2 전도성 층(140)은 이 층의 다양한 특징을 예시하기 위해 별도로 도시된다. 당업자는 제 2 전도성 층(140)이 제 1 전도성 층(130), 제 1 절연성 층(110) 및 제 2 절연성 층(120)과 같은 다른 구성요소를 포함하는 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 일부임을 인식할 것이다. 제 2 절연성 층(120)은 표시되지 않았다. 당업자는 또한 제 2 절연성 층(120)이 프리즘형 배터리 셀(192)과 제 2 전도성 층(140) 사이에 위치하고 각각의 셀의 제 1 접점(194) 및 제 2 접점(195)과 정렬된 개구를 포함한다는 것을 인식할 것이다.
도 7c는 도 7a의 4개의 프리즘형 셀(192)의 개략적인 평면도이고, 셀 위에 위치하여 셀을 상호 연결하는 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)을 예시한다. 제 1 전도성 층(130)은 제 2 전도성 층(140)보다 두껍다. 이와 같이, 제 2 전도성 층(140)만이 전지의 제 1 접점(194) 및 제 2 접점(195)에 직접 용접된다. 또한, 제 1 전도성 층(130)의 풋프린트는 제 2 전도성 층(140)의 풋프린트보다 작다. 제 2 전도성 층(140)은 제 1 전도성 층(130)을 지나, 특히 배터리 접점 위로 연장된다. 이러한 특징은 제 1 전도성 층(130)으로부터의 간섭 없이 제 2 전도성 층(140)을 이들 배터리 접점에 용접할 수 있게 한다. 더 얇은 층인 제 2 전도성 층(140)은 용접에 더 적은 에너지를 필요로 하여 배터리 접점에서 과도한 온도를 피한다. 동시에, 제 1 전도성 층(130)은 배터리 접점에 직접 연결하지 않고 배터리 접점 사이에 추가적인 전도성을 제공한다.
도 7d는 도 7a의 4개의 프리즘형 셀(192)의 개략적인 평면도이고, 셀 위에 위치된 전체 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)를 예시한다. 구체적으로, 도 7d는 제 1 절연성 층(110)의 다양한 개구를 예시한다. 이러한 개구는 다양한 연결을 형성하는 데 사용된다. 내부 용접 개구(118)는 제 1 전도성 층(130)과 제 2 전도성 층(140) 모두 위에 위치하며 이들 두 전도성 층을 함께 용접하는 데 사용된다. 외부 용접 개구(119)는 제 2 전도성 층(140) 위에 위치되고(그러나 제 1 전도성 층(130) 위에는 아님) 제 2 전도성 층(140)을 배터리 접점에 용접하는 데 사용된다.
다층 가요성 배터리 인터커넥트 제작의 예
도 8은, 일부 예에 따라, 다층의 가요성 배터리 인터커넥트(100)를 제조하는 방법(800)에 대응하는 공정 흐름도이다. 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 다양한 예가 위에서 설명되었다.
일부 예에서, 방법(800)은 제 1 절연성 층(110)을 패터닝하는 단계(블록 810)를 포함한다. 절연성 층(110)의 일 예는 도 10a에 제시된다. 예를 들어, 다양한 개구(117)가 연속 베이스 필름에 형성되어 제 1 절연성 층(110)을 생성할 수 있다. 이러한 개구(117)는 다층의 가요성 배터리 인터커넥트(100) 내의 가요성 탭(142)에 대한 액세스를 제공한다.
도 8을 참조하면, 일부 예에서 방법(800)은 제 1 전도성 층(130)을 패터닝하는 단계(블록 812)를 포함한다. 제 1 전도성 층(130)의 일 예는 도 10b에 제시된다. 예를 들어, 제 1 전도성 층(130)의 분리된 부분은 연속적인 베이스 금속 포일로부터 형성되어 제 1 전도성 층(130)을 생성할 수 있다. 이들 각각의 부분은 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 상이한 버스를 나타낸다(예를 들어, 도 10b는 3개의 상이한 부분을 도시함). 일부 예에서, 제 1 전도성 층(130)은 적어도 제 1 전도성 층(130)이 제 1 절연성 층(110)에 라미네이팅되기 전에 임시 기판(예를 들어, 제 1 전도성 층(130)의 패터닝에도 사용됨) 상에 지지된다. 제 1 전도성 층(130)이 제 1 절연성 층(110)이면, 제 1 절연성 층(110)은 제 1 전도성 층(130)의 분리된 부분을 지지한다.
도 8로 돌아가면, 일부 예에서, 방법(800)은 제 1 전도성 층(130)을 제 1 절연성 층(110)에 라미네이팅(블록 814)하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 제 1 절연성 층(110)은 제 1 전도성 층(130)이 부착되는 접착면을 포함할 수 있다. 제 1 전도성 층(130) 및 제 1 절연성 층(110)을 포함하는 서브조립체의 일례가 도 10c에 제시되어 있다. 전술한 바와 같이, 제 1 절연성 층(110)은 제 1 전도성 층(130)의 분리된 부분을 지지한다.
도 8로 돌아가면, 일부 예에서, 방법(800)은 제 2 절연성 층(120)을 패터닝하는 단계(블록 820)를 포함한다. 제 2 절연성 층(120)의 일 예가 도 10d에 제시된다. 예를 들어, 다양한 개구가 연속 베이스 필름에 형성되어 제 2 절연성 층(120)을 생성할 수 있다. 일부 개구(127)는 다층의 가요성 배터리 인터커넥트(100) 내의 가요성 탭(142)에 대한 액세스를 제공하다. 다른 개구는 용접 개구(122)이며 제 1 전도성 층(130)을 전술한 바와 같이 제 2 전도성 층(140)에 용접하는 데 사용된다.
도 8로 돌아가면, 일부 예에서 방법(800)은 제 2 전도성 층(140)을 패터닝하는 단계(블록 822)를 포함한다. 제 2 전도성 층(140)의 일 예는 도 10e에 제시된다. 예를 들어, 제 2 전도성 층(140)의 분리된 부분은 연속적인 베이스 금속 포일로부터 형성되어 제 2 전도성 층(140)을 생성할 수 있다. 이들 각각의 부분은 다층의 가요성 배터리 인터커넥트(100)의 상이한 버스를 나타낸다. 또한, 각각의 부분은 배터리 셀에 전기 연결하기 위해 가요성 탭(142)을 포함한다. 일부 예에서, 제 2 전도성 층(140)은 적어도 제 2 전도성 층(140)이 제 2 절연성 층(120)에 적층되기 전에 임시 기판(예를 들어, 패터닝에도 사용됨) 상에 지지된다.
도 8로 돌아가면, 일부 예에서, 방법(800)은 제 2 전도성 층(140)을 제 2 절연성 층(120)에 라미네이팅(블록 824)하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 제 2 절연성 층(120)은 제 2 전도성 층(140)이 부착되는 접착 표면을 포함할 수 있다. 제 2 전도성 층(140) 및 제 2 절연성 층(120)을 포함하는 서브조립체의 일례가 도 10f에 제시되어 있다. 제 2 전도성 층(140)은 이러한 라미네이션 작업 후에 제 2 전도성 층(140)의 분리된 부분을 지지한다.
도 8로 돌아가면, 일부 예에서, 방법(800)은 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)을 포함하는 스택을 라미네이팅(블록 830)하는 단계를 포함한다. 제 1 전도성 층(130)은 제 1 절연성 층(110)에 미리 라미네이팅될 수 있는 반면, 제 2 전도성 층(140)은 이전에 라미네이팅될 수 있다 이와 같이, 제 1 절연성 층(110) 및 제 2 절연성 층(120)도 이 라미네이션 스택의 일부이다. 예를 들어, 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)을 지나 연장하는 제 1 절연성 층(110) 및 제 2 절연성 층(120)의 부분은 예를 들어 도 2e에 개략적으로 도시된 바와 같이 이 작업 동안 함께 접착될 수 있다. 제 1 절연성 층(110), 제 1 전도성 층(130), 제 2 전도성 층(140), 제 2 절연성 층(120)의 조합을 1차 스택이라고 할 수 있다.
도 8로 돌아가면, 일부 예에서 방법(800)은 제 1 전도성 층(130)과 제 2 전도성 층(140)을 용접하는 단계(블록 832)를 포함한다. 도 2a 및 도 2b를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 제 2 절연성 층(120)은 제 2 전도성 층(140)에 액세스하고 제 2 전도성 층(140)을 제 1 전도성 층(130)에 용접하여 용접 위치(109)를 형성하는 데 사용되는 다수의 용접 개구(122)를 포함한다. 예를 들어, 레이저 용접이 이를 위해 사용될 수 있다.
다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)가 전압 트레이스 또는 신호 트레이스를 포함할 때, 예를 들어 도 6e 및 도 6f에 개략적으로 도시된 바와 같이 별도의 층으로 제공되고, 방법(800)은 제 3 절연성 층(160)을 패턴화하고(블록 840), 전압 트레이스(150)를 패턴화하고(블록 842), 전압 트레이스(150)를 제 3 절연성 층(160)에 라미네이팅하여(블록 844) 추가 스택을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 그런 다음 방법(800)은 이 추가 스택을 기본 스택에 라미네이팅(블록 850)하고, 일부 예에서 전압 트레이스(150)를 전도성 층 중 하나, 예를 들어 더 얇을 수 있고 제 1 전도성 층(130)의 상부에 그리고 전압 트레이스(150)에 더 가깝게 위치될 수 있는 제 2 전도성 층(140)에 용접(블록 852)하는 것으로 진행된다.
도 9는 다층 가요성 배터리 인터커넥트(100)를 제조하는 다른 방법(900)에 대응하는 공정 흐름도이다. 방법(900)의 일부 동작은 전술한 방법(800)의 대응 동작과 유사할 수 있다. 일부 예에서, 방법(900)은 블록(810)에 의해 나타내어지고 전술된 작업과 유사하게 제 1 절연성 층(110)을 패터닝(블록 910)하는 단계를 포함한다. 방법(900)은 블록(812)에 의해 나타내어지고 전술된 동작과 유사하게 제 1 전도성 층(130)을 패터닝(블록 912)하는 단계를 포함한다. 방법(900)은 위에서 설명한 블록(814)에 의해 표현된 작업과 유사하게 제 1 절연성 층(110)을 제 1 전도성 층(130)에 라미네이팅(블록 914)하는 것으로 진행한다. 또한, 방법(900)은 위에서 설명한 블록(822)에 의해 표현된 작업과 유사하게 제 2 전도성 층(140)을 패터닝(블록 920)하는 것으로 진행한다. 그 다음 방법(900)은 제 1 절연성 층(110), 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)을 포함하는 스택을 라미네이팅(블록 923)하는 것으로 진행한다. 제 2 절연성 층(120)은 이 스택의 일부가 아니라는 점에 유의해야 한다. 제 2 절연성 층(120)은 나중에 추가된다. 제 2 전도성 층(140)이 제 1 전도성 층(130)의 경계를 넘어 연장되고 제 1 절연성 층(110)에 접착된 부분, 예를 들어 제 1 절연성 층(110)과 중복하는 가요성 탭의 일부를 사용하여 제 1 절연성 층(110) 및 제 1 전도성 층(130)에 대해 지지될 수 있다. 방법(900)은 제 2 절연성 층(120)을 패터닝(블록 930)하고(블록 820에 의해 나타내어지고 전술한 작업과 유사함), 이어서 제 2 절연성 층(120)을 제 1 절연성 층(110), 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)을 포함하는 스택에 라미네이팅(블록 934)하고 제 1 전도성 층(130) 및 제 2 전도성 층(140)을 용접(블록 940)한다.
배터리 팩 연결의 예
도 11a는, 일부 예에 따른, 배터리 팩 조립체(1100)의 개략도이다. 배터리 팩 조립체(1100)는 인터커넥트 회로(1110) 및 배터리(1150)를 포함한다. 도 11a는 단지 하나의 배터리(1150)를 예시하지만, 당업자는 동일한 인터커넥트 회로(1110)가 다수의 배터리를 연결하기 위해, 예를 들어 이들 배터리를 상호접속하기 위해 및/또는 배터리 팩 조립체(1100)의 다른 구성요소(예: 인버터)에 연결하기 위해 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 인터커넥트 회로(1110)는 전도체(1120) 및 제 1 절연성 층(1111)을 포함한다. 전도체(1120)는 전도성 요소로도 지칭될 수 있다. 일부 예에서, 제 1 절연성 층(1111)은 전도체(1120)에 대한 지지를 제공한다. 예를 들어, 인터커넥트 회로(1110)는 다중 전도체를 포함할 수 있고, 제 1 절연성 층(1111)은 이들 전도체를 서로에 대해 지지한다(예를 들어, 단락을 방지하고 이들 전도체를 원하는 위치로 유도하기 위해). 제 1 절연성 층(1111)은 또한 전도체(1120)를 다른 구성요소, 예를 들어 배터리(1150)로부터 절연시키는 데 사용될 수 있다. 일부 예에서, 인터커넥트 회로(1110)는 전도체(1120)의 적어도 일부가 제 1 절연성 층(1111)과 제 2 절연성 층(1112) 사이에 위치하도록 제 2 절연성 층(1112)을 포함한다. 절연성 층은 유전체층 또는 간단히 유전체라고도 할 수 있다. 유전체 및 전도성 요소의 다양한 예가 위에 설명되어 있다.
일부 예에서, 제 1 절연성 층(1111)은 예를 들어 배터리(1150)에 연결할 때 전도체(1120)의 일부를 돌출시키기 위해 사용되는 제 1 절연성 층 개구(1113)를 포함한다. 유사하게, 제 2 절연성 층(1112)은 예를 들어 전도체(1120)에 접근하기 위해 사용된 절연 층 개구(1114)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 절연성 층 개구(1114)는 예를 들어 배터리(1150)와의 전기 접촉을 형성하기 위해 제 1 절연성 층 개구(1113)를 통해 전도체(1120)의 일부에 접근하고 힘을 가하는 데 사용될 수 있다.
일부 예에서, 전도체(1120)는 전도체 트레이스(1128), 전도체 넥(1126) 및 전도체 탭(1122)을 포함하여 전도체 넥(1126)이 전도체 트레이스(1128)와 전도체 탭(1122) 사이에 위치되어 이를 연결한다. 전도체 트레이스(1128)는 제 1 절연 층 개구(1113)로부터 멀리 연장하고 전도체(1120)로의 다른 전기 연결을 형성하기 위해 사용된다. 전도체 탭(1122)은 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이 배터리(1150)에 기계적으로 및 전기적으로 연결(예를 들어, 용접)된다. 전도체 넥(1126)은 전도체 탭(1122)에 유연성을 제공하여, 예를 들어 전도체 탭(1122)이 전도체 트레이스(1128)에 대해 면외에 위치될 수 있도록 한다. 도 11a는 전도체 트레이스(1128)에 대해 제 1 절연성 층(1111)의 반대편을 지나 연장되는 전도체 탭(1122)을 예시한다. 이 예에서, 전도체 넥(1126)은 제 1 절연성 층 개구(1113)를 통해 돌출한다. 또한, 일부 예에서, 전도체 탭(1122)과 배터리(1150) 사이의 연결을 끊지 않고 인터커넥트 회로(1110)의 나머지 부분에 대해 (예를 들어, 어느 정도까지) 배터리(1150)가 이동하는 것을 허용한다.
일부 예에서, 배터리(1150)는 배터리 케이스(1154), 배터리 캡(1152) 및 배터리 캡 절연체(1156)를 포함한다. 당업자는 도 11a에 도시되지 않은, 배터리(1150)가 추가적인 구성요소(예를 들어, 전극, 전해질)를 포함한다는 것을 이해할 것이다. 배터리 캡 절연체(1156)는 배터리 케이스(1154)에 대해 배터리 캡(1152)을 지지하고 또한 배터리 케이스(1154)로부터 배터리 캡(1152)을 절연시킨다. 일부 예에서, 배터리 케이스(1154)는 배터리(1150)의 하나의 단자로서 작동 가능한 반면, 배터리 캡(1152)은 다른 단자로서 작동 가능하다. 도 11a가 배터리 캡(1152)에 연결된 전도체(1120)를 도시하지만, 당업자는, 다른 예에서, 전도체(1120)가 배터리 케이스(1154), 예를 들어 배터리 캡(1152) 주위 및 배터리 캡 절연체(1156) 위로 연장하는 배터리 케이스(1154)의 숄더에 연결될 수 있다.
일부 예에서, 전도체 탭(1122)은 예를 들어 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 전도체 탭(1122)의 나머지 부분의 두께보다 작은 두께를 갖는 연결 부분(1124)을 포함한다. 다른 예에서, 전도체 탭(1122)은 예를 들어 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이 하나 또는 그 초과의 탭 개구(1130)를 포함한다. 전도체 탭(1122)은 연결 부분(1124)에서 또는 하나 또는 그 초과의 탭 개구(1130) 주위에서 배터리(1150)에 용접된다. 이들 예 각각이 지금부터 더 상세히 설명될 것이다.
전술한 바와 같이, 도 11a 및 도 11b는 전도체 탭(1122)이 전도체 탭(1122)의 나머지 부분의 두께보다 작은 두께를 갖는 연결 부분(1124)을 포함하는 배터리 팩 조립체(1100)의 예를 예시한다. 예를 들어, 전도체(1120)는 동일한 금속 시트로 형성되고, 이 경우 전도체(1120)의 모든 구성요소(예를 들어, 전도체 트레이스(1128), 전도체 넥(1126), 및 전도체 탭(1122))는 동일한 두께를 갖는다. 이와 같이, 전도체 탭(1122)의 두께는 전도체(1120)의 다른 구성요소, 예를 들어 전도체 트레이스(1128)의 전류 운반 특성과 관련된 이유로 선택될 수 있다. 일부 예에서, 전도체(1120)의 주요 두께는 적어도 100 마이크로미터 또는 심지어 최소 200마이크로미터이다. 그러한 두꺼운 시트를 배터리(1150)에 용접하는 것은 전도체(1120) 및 배터리(1150)의 상당한 가열을 필요로 하며, 이는 적어도 배터리 관점에서 바람직하지 않을 수 있다. 예를 들어, 배터리(1150)는 고온에 민감할 수 있는 다양한 구성요소(예: 절연체, 분리막, 전해질)를 포함한다. 훨씬 더 얇은 두께를 갖는 연결 부분(1124)을 사용하여 배터리(1150)에 대한 전기적 연결을 형성함으로써 연결 부분(1124)을 배터리(1150)에 용접할 때 고온 노출을 상당히 감소시킬 수 있다.
일부 예에서, 연결 부분(1124)의 두께는 전도체 탭(1122)의 나머지 부분의 두께보다 적어도 두 배 또는 세 배 더 적거나 심지어 네 배 더 적다. 일부 예에서, 연결 부분(1124)은 예를 들어 도 11c에 도시된 바와 같이 원형이다. 예를 들어, 연결 부분(1124)의 형상(및 크기)은 연결 부분(1124)이 용접되는 배터리 구성요소와 동일할 수 있다. 예를 들어, 배터리 캡(1152)에 용접된 연결 부분(1124)은 원형 풋프린트를 가질 수 있다. 일부 예에서, 연결 부분(1124)은 이 연결 부분(1124)이 용접되는 배터리 구성요소의 영역보다 작다. 보다 구체적으로, 연결 부분(1124)의 크기는 용접 요구 사항, 예를 들어 용접 너깃 크기에 의해 결정될 수 있다. 동일한 또는 다른 예에서, 전도체 탭(1122)의 나머지 부분은 연결 부분(1124)을 둘러싸는 에지 숄더(1123)를 형성한다. 에지 숄더(1123)의 두께는 전도체(1120)의 주요 두께와 동일하고 연결부(1124)의 두께보다 큰 점에 주목하여야 한다.
전술한 바와 같이, 도 12a 및 도 12b는 전도체 탭(1122)이 하나 또는 그 초과의 탭 개구(1130)를 포함하는 배터리 팩 조립체(1100)의 예를 예시한다. 전술한 연결 부분(1124)과 유사하게, 탭 개구(1130)는 전도체 탭(1122)을 배터리(1150)에 용접하는 데 필요한 전력을 감소시킨다. 예를 들어, 탭 개구(1130)는 용접에 사용되는 전도체 탭(1122)의 표면적을 증가시키는 측벽을 포함한다.
일부 예에서, 하나 또는 그 초과의 탭 개구(1130) 각각은 예를 들어 도 12a에 개략적으로 도시된 바와 같이 세장형 형상을 갖는다. 보다 구체적으로, 세장형 형상은 전도체 넥(1126)에 수직으로 연장되거나, 보다 구체적으로 전도체 넥(1126)의 중심 축선에 대해 연장된다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 전도체 넥(1126)은 X축선을 따라 연장되는 반면, 탭 개구(1130)의 세장형은 Y축선을 따라 연장된다.
도 12b를 참조하면, 일부 예에서 전도체 탭(1122)은 하나 또는 그 초과의 탭 개구(1130) 각각 내에 배치되고 배터리(1150)와 직접 인터페이스하는 용접 너깃(1134)을 더 포함한다. 용접 너깃(1134)은 더 많은 탭 개구(1130)의 측벽을 활용하여 전도체 탭(1122)과 배터리(1150) 사이의 인터페이스 영역을 증가시킨다. 일부 예에서, 전도체 탭(1122)은 저항 용접기, 레이저 용접기 및/또는 초음파 용접기를 사용하여 배터리(1150)에 용접된다. 그러나 다른 부착 형태(예: 전도성 접착제)도 범위 내에 있다.
도 13a를 참조하면, 일부 예에서, 인터커넥트 회로(1110)는 배터리(1150) 위에 위치된 실질적으로 평면 구조로서 제공된다. 보다 구체적으로, 배터리(1150)에 대한 연결을 형성하기 전에, 각각의 전도체(1120)의 전도체 탭(1122)은 전도체 트레이스(1128) 및 전도체 넥(1126)과 같은 전도체(1120)(및 다른 전도체)의 다른 구성요소와 실질적으로 동일 평면이다. 배터리(1150)에 대한 연결을 형성하기 위해, 각각의 전도체 넥(1126)은 전도체 탭(1122)이 제 1 절연성 층(1111)을 통해 돌출하고 배터리(1150)에 도달하도록 구부러진다. 예를 들어, 도 13a에 도시된 프레스 고정구가 이를 위해 사용될 수 있다. 이 전도체 넥 벤딩 작업은 수십 및 심지어 수백 개의 이러한 전도체 넥에서 동시에 수행될 수 있다는 점에 유의해야 하고, 예를 들어 동일한 인터커넥트 회로(1110)는 동일한 배터리 팩의 여러 배터리에 연결하는 데 사용된다. 더욱이, 전도체 넥(1126)의 두께(예를 들어, 100 마이크로미터 초과 또는 심지어 200 마이크로미터 초과)는 배터리와의 연결을 형성하기 위해 이러한 다수의 전도체 넥을 동시에 구부리는 데 필요한 힘을 결정하는 데 중요한 요소일 수 있다. 마지막으로, 전도체(1120)에 사용되는 재료(예를 들어, 알루미늄)는 굽힘에 대한 높은 저항을 초래하는 상당한 굴곡 모듈러스를 가질 수 있다. 이러한 모든 요인은 도 13b에 개략적으로 도시된 배터리(1150)에 대한 연결을 형성할 때 전도체 넥(1126)을 구부리는 데 필요한 큰 힘을 가리킨다. 큰 힘은 중장비를 필요로 하며 전체 조립체의 일부 구성요소에 손상을 줄 수 있다(예: 특히 정렬 불량이 있는 경우).
예를 들어, 도 13b는 제 1 절연성 층(1111)의 에지를 지나 연장되고 제 1 절연성 층 개구(1113)를 통해 돌출하는 전도체 넥(1126)을 예시한다. 전도체 넥(1126)는 전도체 트레이스(1128)에 근접한 제 1 굴곡부(1131) 및 전도체 탭(1122)에 근접한 제 2 굴곡부(1132)를 포함한다. 이러한 굽힘은 도 13c 및 도 13d에 추가로 예시되어 있다. 일부 예에서, 전도체 넥(1126)은 제 1 굴곡부(1131)에서 하나 또는 그 초과의 제 1 부분 개구(1141) 및/또는 제 2 굴곡부(1132)에서 하나 또는 그 초과의 제 2 부분 개구(1142)를 포함한다. 구체적으로, 도 13c는 5개의 제 1 부분 개구(1141)가 제 1 굴곡부(1131)의 내부 반경 상에 위치하는 예를 예시한다. 도 13d는 7개의 제 1 부분 개구(1141)가 제 1 굽힘부(1131)의 외측 반경에 위치하는 다른 예를 예시한다. 일부 예에서, 제 1 부분 개구(1141)는 제 1 굽힘부(1131)의 양쪽에 위치할 수 있다. 유사하게, 제 2 부분 개구(1142)는 제 2 굴곡부(1132)의 내부 반경, 제 2 굴곡부(1132)의 외부 반경, 또는 둘 다에 위치될 수 있다. 또한 부분 개구의 수는 범위 내에 있다(예: 1, 2, 3, 4 등). 부분 개구의 수를 증가시키는 것은 각각의 부분 개구의 단면을 상대적으로 작게 유지하면서 전도체 넥(1126)의 가요성을 개선하는 데 도움이 될 수 있다. 부분 개구의 단면적을 증가시키는 것은 전도체 넥(1126)의 저항을 증가시키고 전도체 넥(1126)의 기계적 강도를 감소시킨다는 점에 유의해야 한다. 일부 예에서, 제 1 부분 개구(1141)는 (마주하는 에지들 사이) 전도체 넥(1126)을 가로질러 연장하는 하나 또는 그 초과의 슬릿을 포함한다. 더 구체적인 예에서, 이들 다중 슬릿은 전도체 넥(1126)의 총 두께의 약 10% 내지 40%, 보다 구체적으로는 15% 내지 35% 또는 심지어 20% 내지 30%의 깊이를 갖는다.
일부 예에서, 전도체 넥(1126)은 예를 들어 도 14a 내지 도 14c에 도시된 바와 같이 가용성 링크로서 작동 가능하다. 구체적으로, 전도체 넥(1126)는 전도체 트레이스(1128) 및 전도체 탭(1122)으로부터 멀리 위치된 하나 또는 그 초과의 부분 개구(1160)를 포함한다. 예를 들어, 부분 개구(1160)는 예를 들면, 도 14a에 도시된 바와 같이 일정 폭(W1)을 갖는 전도체 넥(1126)의 부분에 위치된다. 하나 또는 그 초과의 부분 개구(1160) 각각은 전도체 넥(1126)이 가용성 링크로서 작동 가능하도록 제어된 깊이 및 제어된 폭을 갖는다. 전도체 넥(1126)의 폭(W1), 전도체 넥(1126)의 두께(T) 및 전도체 넥(1126)의 재료와 함께 각각의 개구(1160)의 깊이(D) 및 폭(W2)의 조합은 저항을 정의하고 이 가용성 링크의 현재 등급이다. 즉, 각각의 개구(1160)는 전도체 넥(1126)의 가장 작은 단면에 해당한다. 이 단면의 면적과 길이는 위에 나열된 다양한 매개변수, 예를 들어 단면적 = W1 * (T - D)인 반면, 이 단면의 길이는 개구(1160)의 폭(W2)과 동일하다. 일부 예에서, 하나 또는 그 초과의 부분 개구(1160) 각각은 전도체 넥(1126)를 가로질러 연장된다.
결론
본 명세서에 기술된 방법 및 장치는 일반적으로 집적 회로, 저항기, 커패시터, 인덕터, 광전지, 및 기타 전자 구성요소 및/또는 전원을 포함하지만 이에 제한되지 않는 전자 장치의 상호 연결로 확장될 수 있다.
상기 설명은 예시를 위한 것이며 제한적이지 않음을 이해해야 한다. 예를 들어, 전술한 예(및/또는 그 양태)는 서로 조합하여 사용될 수 있다. 또한, 특정 상황이나 자료를 본 명세서에 제시된 교시에 적응시키기 위해 많은 수정이 이루어질 수 있다. 치수, 재료의 유형, 다양한 구성요소의 방향, 본 명세서에 설명된 다양한 구성요소의 수 및 위치는 일부 예의 매개변수를 정의하기 위한 것이며 결코 제한하지 않으며 단지 예일 뿐이다. 청구범위의 사상 및 범위 내에서 많은 예 및 수정이 상기 설명을 검토할 때 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 배터리 팩(battery pack)의 배터리를 상호 연결하기 위한 다층 가요성 배터리 인터커넥트(multilayered flexible battery interconnect)로서, 상기 다층 가요성 배터리 인터커넥트는:
    제 1 절연성 층;
    제 2 절연성 층;
    상기 제 1 절연성 층과 상기 제 2 절연성 층 사이에 배치되고 상기 제 1 절연성 층과 직접 인터페이스하는(interfacing), 제 1 전도성 층; 및
    상기 제 1 전도성 층과 상기 제 2 절연성 층 사이에 배치되고 상기 제 1 전도성 층과 상기 제 2 절연성 층 각각과 직접 인터페이스하는, 제 2 전도성 층을 포함하고,
    상기 제 1 전도성 층은 상기 제 2 전도성 층보다 두껍고,
    상기 제 2 전도성 층은 상기 배터리에 연결하기 위해 상기 제 1 전도성 층을 지나 연장하는 복수의 가요성 탭(flexible tap)을 포함하는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 층은 상기 제 2 전도성 층보다 적어도 2배 더 두꺼운, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 층은 적어도 300 마이크로미터의 두께를 갖고;
    상기 제 2 전도성 층은 150 마이크로미터 미만의 두께를 갖는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 층 및 상기 제 2 전도성 층은 모두 알루미늄으로 형성되는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 층 및 상기 제 2 전도성 층은 상이한 재료로 형성되는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 층 및 상기 제 2 전도성 층은 서로 분리된 다수의 용접 위치(welded location)에서 함께 용접되는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 절연성 층은 용접 개구를 포함하고;
    다수의 용접 위치 각각은 상기 용접 개구(welding opening) 중 하나 내에 위치하는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 층은 상기 제 1 전도성 층의 전체 경계에 걸쳐 균일한 두께를 가지고;
    상기 제 2 전도성 층은 상기 제 2 전도성 층의 전체 경계에 걸쳐 균일한 두께를 갖는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 가요성 탭은 제 1 방향으로 연장하는 제 1 탭 세트(tap set)를 포함하고;
    상기 복수의 가요성 탭은 상기 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 연장하는 제 2 탭 세트를 포함하는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 탭 세트에서 임의의 2개의 인접한 탭은 상기 배터리 팩의 배터리 피치(battery pitch)만큼 이격되고;
    상기 제 2 탭 세트에서 두 개의 인접한 탭은 상기 배터리 팩의 배터리 피치만큼 이격되는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 가요성 탭 각각은 접촉 패드 및 가용성 링크(fusible link)를 포함하고, 상기 제 2 전도성 층의 나머지 부분에 대해 상기 접촉 패드를 연결 및 지지하고;
    상기 접촉 패드는 상기 배터리 중 하나의 중앙 접점(center contact)에 연결되도록 구성되는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 절연성 층은 접촉 개구를 포함하고;
    상기 가용성 링크 및 상기 접촉 패드의 대부분이 접촉 개구로 돌출하는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 절연성 층은 상기 접촉 개구를 적어도 부분적으로 정의하는 지지 탭을 포함하고;
    상기 접촉 패드의 일 부분이 상기 지지 탭에 부착되는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 절연성 층은 상기 지지 탭과 상기 제 2 절연성 층의 나머지 부분 사이의 인터페이스를 따라 연장하는 가요성 슬릿(flexible slit)을 포함하는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 탭 세트의 임의의 2개의 인접한 탭은 배터리 피치 또는 상기 배터리 팩의 배터리 피치의 두 배만큼 이격되고;
    상기 제 2 탭 세트에서 임의의 2개의 인접한 탭은 배터리 피치 또는 상기 배터리 팩의 배터리 피치의 두 배만큼 이격되는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 탭 세트 및 상기 제 2 탭 세트의 각각의 탭은 접촉 패드 및 가요성 넥(flexible neck)을 포함하여, 상기 탭의 나머지 부분에 대해 상기 접촉 패드를 연결 및 지지하고;
    상기 접촉 패드는 상기 배터리 중 인접한 2개의 배터리의 에지 접점에 동시에 연결되도록 구성되는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 절연성 층은 접촉 개구를 포함하고;
    상기 가요성 넥과 상기 접촉 패드의 대부분이 상기 접촉 개구로 돌출하는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 절연성 층은 상기 접촉 개구를 적어도 부분적으로 정의하는 지지 탭을 포함하고;
    상기 접촉 패드의 일 부분이 상기 지지 탭에 부착되는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 절연성 층은, 상기 지지 탭과 상기 제 2 절연성 층의 나머지 부분 사이의 인터페이스를 따라 연장하는, 가요성 슬릿을 포함하는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 절연성 층 및 상기 제 2 절연성 층은 서로 직접 부착하여 상기 제 1 전도성 층과 상기 제 2 전도성 층의 부분들 주위에 경계를 형성하는, 다층 가요성 배터리 인터커넥트.
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