JP5286244B2 - 保護回路基板、二次電池及び電池パック - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池に関し、特に、２次保護素子を備える保護回路基板と、前記保護回路基板を備える二次電池と、前記二次電池による電池パックに関する。
二次電池は、放電後に充電を行い、その放電と充電を繰り返しながら使用できる電池である。よって、携帯電話やノートパンコン、カムコーダーなどの様々な携帯用マルチ機器に適用されている。
二次電池は、缶と、前記缶内部に収容される電極組立体と、前記缶が挿入される開放部に結合されて外部端子と電気的に連結されるキャップ組立体とを有するベアセル（bare cell）を含む。前記二次電池は、前記ベアセルと電気的に連結された保護回路基板を備えることで、電池パックを構成する。ここで、前記保護回路基板に備えられる保護回路は、前記ベアセルの過充電及び過放電を制御する役割をする。
前記保護回路基板には、正の温度係数素子（Positive Temperature Coefficient （PTC） device）及びサーマルヒューズ（thermal fuse）などの保護素子（protection device）をさらに設置することができる。前記保護素子は、前記ベアセルに設けられた安全ベントなどのような１次保護素子と区別して、２次保護素子と称する。
前記２次保護素子は、二次電池の温度上昇や過度の充放電による過電圧発生の際に、電流の流れを遮断する。これにより、電池の破損や劣化を防止する役割をする。このような1次保護素子は、一般的にベアセルに設けられ、ベアセルの温度変化に、より敏感に反応する。
かかる２次保護素子は、ベアセルと保護回路基板との間の空間に設けられる。この時、２次保護素子により、主にベアセルと保護回路基板との間に電気的に連結された構造が設けられる。これにより、保護回路基板の製造工程または保護回路基板とベアセルの組立て工程が複雑となる問題がある。
また、２次保護素子は、ベアセルの第１電極と連結されるので、ベアセルの第２電極とは絶縁される構成にしなければならない。よって、２次保護素子にはベアセルの外表面と絶縁するための別途の構造を形成する必要があるので、製造工程が追加される問題がある。ここで、２次保護素子が絶縁されなければ、２次保護素子の機能を果たすことができないのは言うまでもなく、電池不良の主原因になるおそれがある。
さらに、２次保護素子はベアセルと保護回路基板との間の空間に設けられるので、２次保護素子を設置する空間分、電池パックのサイズが大きくなり、他の用途への活用が不可能になる虞がある。
本発明の目的は、２次保護素子を内部に備えて、構造が簡素化された保護回路基板を提供することにある。
本発明の他の目的は、２次保護素子を保護回路基板の内部に備えて、ベアセルとの絶縁性能を向上させた二次電池を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、２次保護素子を保護回路基板の内部に備えて、ベアセルと保護回路基板との間の空間を活用可能にした電池パックを提供することにある。
上述の目的を達成するために、本発明にかかる保護回路基板は、基板ボディ；及び前記基板ボディに内蔵された２次保護素子を含むことを特徴とする。
前記基板ボディは、略直方体形状に形成され、中央に形成されたホール、一面に実装されて電流を外部に伝達する外部端子、及び他側面に実装された充放電素子を有する。
前記基板ボディは、少なくとも２層または４層の回路層を含み、前記２次保護素子は、上端部が前記回路層の最上層と連結され、下端部が前記回路層の最下層と連結される。
前記基板ボディの上下面には、絶縁層が形成される。
前記基板ボディの上下面には、絶縁層が形成される。
前記絶縁層はＰＳＲ（Photo imageable Solder Regist mask ink）からなることが好ましい。
前記２次保護素子は、前記基板ボディの内部で前記基板ボディの外表面に露出されないことが好ましい。
前記２次保護素子は、正の温度係数素子（Positive Temperature Coefficient （PTC） device）またはこれと等価の保護素子であることが好ましい。
前記ＰＴＣ素子は、略直方体に形成されたＰＴＣ本体と、前記ＰＴＣ本体の少なくとも二面を取り囲む第１導電部と、前記第１導電部と離隔して前記ＰＴＣ本体の前記第１導電部が取り囲まない他の面を取り囲む第２導電部とを含むことが好ましい。
本発明にかかる二次電池は、ベアセル；及び前記ベアセルに電気的に連結される保護回路基板を含み、前記保護回路基板は、２次保護素子が内蔵された基板ボディを含むことを特徴とする。
前記ベアセルは、缶、前記缶に収容される電極組立体、及び前記缶の開口部を密封するキャップ組立体を含む。
前記保護回路基板において、前記基板ボディの中央に前記ベアセルの第１電極と接続される電極端子が具備され、前記基板ボディの両端部下面には前記ベアセルの第２電極と接続されるリードプレートが設けられる。
前記２次保護素子は、前記基板ボディの内部で前記基板ボディの外表面に露出されないことが好ましい。
前記基板ボディの上下面には、絶縁層が形成される。
前記絶縁層はＰＳＲからなることが好ましい。
前記２次保護素子は、ＰＴＣ素子またはこれと等価の保護素子であることが好ましい。
本発明にかかる電池パックは、ベアセル；前記ベアセルに電気的に連結される保護回路基板；及び前記保護回路基板を前記ベアセルの一面に結合するトップケース及び前記ベアセルの他側面に結合されるボトムケースを含み、前記保護回路基板は、２次保護素子が内蔵された基板ボディを含むことを特徴とする。
前記ベアセルは、缶、前記缶に収容される電極組立体、及び前記缶の開口部を密封するキャップ組立体を含む。
前記保護回路基板において、前記基板ボディの中央に前記ベアセルの第１電極と接続される電極端子が具備され、前記基板ボディの両端部下面には前記ベアセルの第２電極と接続されるリードプレートが設けられる。
前記２次保護素子は、前記基板ボディの内部で前記基板ボディの外表面に露出されないことが好ましい。
前記基板ボディの上下面には、絶縁層が形成されたことが好ましい。
前記絶縁層はＰＳＲからなることが好ましい。
前記２次保護素子は、ＰＴＣ素子またはこれと等価の保護素子であることが好ましい。
前記ベアセルとトップケース及びボトムケースの側面を包むラベル紙をさらに含むことが好ましい。
本発明は、２次保護素子を内部に備えて、構造が簡素化された保護回路基板を提供する。これにより、保護回路基板に２次保護素子を設置するための製造工程が簡素化される効果が得られる。
本発明は、２次保護素子を保護回路基板の内部に備えて、ベアセルとの絶縁性能を向上させた二次電池を提供する。これにより、ベアセルと２次保護素子を絶縁するための製造工程を排除する効果が得られる。
本発明は、２次保護素子を保護回路基板の内部に備えて、ベアセルと保護回路基板との間の空間を活用可能にした電池パックを提供する。これにより、電池パックの全体サイズを減らすことができる利点が得られる。
以下では、本発明の好ましい実施例を添付図面に基づいてより詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例にかかる保護回路基板の側面図、図２は、本発明の一実施例にかかる保護回路基板の斜視図、図３は、本発明に備えられるＰＴＣ素子の断面図である。
図１乃至図３を参照すれば、本発明の一実施例にかかる保護回路基板１００は、基板ボディ１１０と、前記基板ボディ１１０の内部に設けられる２次保護素子１２０とを含んで構成される。
前記基板ボディ１１０は略直方体形状に形成される。前記基板ボディ１１０の中央にホール１１１が形成され、一側面（上面）に電流を外部に伝達する外部端子１１２が実装され、他側面（下面）に充放電素子１１３が実装される。
前記２次保護素子１２０は、基板ボディ１１０の内部に設けられ、基板ボディ１1０の外表面に露出されない状態（embede）で設けられることが好ましい。
前記２次保護素子１２０は、前記基板ボディ１１０を構成するプリント回路基板の製造工程中に設置される。前記基板ボディ１１０には、少なくとも２層または４層の回路層が形成される。よって、前記２次保護素子１２０の上端部が前記回路層のうち最上層と連結され、下端部が前記回路層のうち最下層と連結されることができる。このように多層形成された基板ボディ１１０の回路層と電気的に連結されて、回路的構成を形成するようになる。
前記基板ボディ１１０の上下面には、ＰＳＲ（Photo imageable Solder Resist）マスクインク（mask ink）が塗布される。前記ＰＳＲ処理工程により、一般的にプリント回路基板を製作する工程時、製品表面の回路に絶縁体を形成して、製品を保護する。そして、後続工程で部品を実装する際、ソルダリング工程で回路と回路との間の半田ブリッジ（solder bridge）現象を防止するようになる。このようなＰＳＲ処理工程によって、２次保護素子１２０が外部と絶縁される効果が得られる。
前記２次保護素子１２０としてはＰＴＣ素子（以下、「ＰＴＣ素子」として説明）またはこれと等価の保護素子を使用することが好ましいが、これに限られるのではない。
前記ＰＴＣ素子１２０は、略直方体に形成されたＰＴＣ本体１２１と、前記ＰＴＣ本体１２１の少なくとも二面を取り囲む第１導電部１２２と、前記第１導電部１２２と離隔して前記ＰＴＣ本体１２１の他の二面を取り囲む第２導電部１２３とを含む。ここで、前記第１導電部１２２は前記基板ボディ１１０の回路層のうち一つの回路層と連結され、前記第２導電部１２３は他の一つの回路層と連結される。
前記ＰＴＣ本体１２１は、導電性粒子を結晶性高分子に分散させて製造する。前記導電性粒子としては炭素粒子を使っても良く、前記結晶性高分子としてはポリオレフィン系樹脂などの合成樹脂を使っても良い。前記ＰＴＣ本体１２１において、設定された温度以下では多数の導電性粒子が固まっていて、第１導電部１２２と第２導電部１２３との間の電流の流れを連結する。しかし、設定された温度以上になると結晶性高分子の膨脹によって導電性粒子が分離され、抵抗が急激に増加することで、電流の流れが遮断されるかまたは少量の電流が流れるようになる。よって、第１導電部１２２と第２導電部１２３とを電気的に連結するＰＴＣ本体１２１で、電流の流れが遮断される。
これにより、前記ＰＴＣ素子１２０は、電池の破壊を防止する安全装置としての役割を行う。この時、電池が設定温度以上に上昇するのは、電池使用中に過電流や過電圧が流れたり消費全力が高くなって、これによる熱が発生するからである。以後、前記ＰＴＣ本体１２１が、再度設定温度以下に冷却されると、結晶性高分子が収縮され導電性粒子が再び連結されて、電流が流れるようになる。
このように構成される本発明にかかる保護回路基板１００によれば、基板ボディ１１０の内部に２次保護素子であるＰＴＣ素子１２０が設けられるので、別途の絶縁構造を省略することができる。また、ＰＴＣ素子１２０が保護回路基板１００の外部で占める空間を減らすことができる。
次に、本発明にかかる二次電池に対して説明する。
図４は、本発明にかかる二次電池の分解斜視図であり、図５は、図４の結合状態側面図である。
図４及び図５を参照すれば、本発明にかかる二次電池２００は、ベアセル２１０と、前記ベアセル２１０に電気的に連結される保護回路基板１００とを含む。前記保護回路基板１００は、ＰＴＣ素子１２０が内部に設けられた基板ボディ１１０を含む。ここで、前記保護回路基板１００とＰＴＣ素子１２０の構成は、上述した本発明の一実施例の構成と等しいので、同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
前記ベアセル２１０は、缶２１１と、前記缶２１１に収容される電極組立体２１２と、前記缶２１１の開口部を密封するキャップ組立体２２０とを含む。
前記缶２１１は、略直方体形状を有し、一端部が開放された開口部を有する金属材質の容器であり、ディープドローイング（deep drawing）などの加工方法により形成される。よって、缶２１１そのものが端子の役割を兼ねることもできる。前記缶２１１の材質としては、軽量の伝導性金属であるアルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましい。前記缶２１１は、電極組立体２１２と電解液が収容される容器となり、電極組立体２１２が投入されるように形成された開口部は、キャップ組立体２２０によって密封される。
前記電極組立体２１２は、陽極板２１３と、セパレーター２１４と、陰極板２１５と、前記陽極板２１３から引き出された陽極タブ２１６と、前記陰極板２１５から引き出された陰極タブ２１７と、前記陽極タブ２１６及び陰極タブ２１７に付着する絶縁テープ２１８とを含む。
前記陽極板２１３と陰極板２１５は、その間にセパレーター２１４を介在させて積層し、渦状に巻き取って、いわゆる「ゼリーロール（Jelly Roll）」形態にする。前記陽極板２１３及び陰極板２１５は、それぞれアルミニウムホイル及び銅ホイルからなる集電体に陽極活物質であるコバルト酸リチウムと陰極活物質である炭素などをそれぞれコーティングして形成することができる。前記セパレーター２１４は、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはポリエチレンとポリプロピレンの共重合体（copolymer）からなっている。前記セパレーター２１４は、陽極板２１３及び陰極板２１５より広い幅で形成した方が、極板間の短絡の防止に有利である。
前記電極組立体２１２からは、前記陽極板２１３と連結された陽極タブ２１６及び陰極板２１５と連結された陰極タブ２１７が引き出されている。前記電極組立体２１２の外部に引き出される境界部には、陽極板２１３及び陰極板２１５の短絡を防止するために絶縁テープ２１８が巻回されている。
前記キャップ組立体２２０は、キャッププレート２２１、ガスケット２２２、電極端子２２３、絶縁プレート２２４、端子プレート２２５、及び絶縁ケース２２６を含んで形成される。
前記キャッププレート２２１には、中央に形成された端子通孔２２１ａを介して前記電極端子２２３が挿入され、前記電極端子２２３の外周には、キャッププレート２２１と電極端子２２３を絶縁するガスケット２２２が位置する。前記キャッププレート２２１の一側には、缶２１１の内部に電解液を注入するための電解液注入孔２２１ｂが形成され、電解液が注入された後、前記電解液注入孔２２１ｂは栓２２７により密封される。
前記電極端子２２３は、陰極タブ２１７と電気的に連結され、陰極端子の役割をする。しかし、電極端子２２３が陽極タブ２１６と連結される場合には極性が変わって、陽極端子の役割をするようになる。通常、電極端子２２３は陰極端子の役割をする。
前記絶縁プレート２２４は、前記キャッププレート２２１の下面に設けられ、前記絶縁プレート２２４の下面には、端子プレート２２５が設けられる。これにより、前記絶縁プレート２２４は、前記キャッププレート２２１と前記端子プレート２２５を絶縁する。
前記端子プレート２２５は、前記電極端子２２３の下端部に結合される。そして、前記電極組立体２１２の陰極板２１５は、陰極タブ２１７により端子プレート２２５及び電極端子２２３と電気的に連結される。また、前記電極組立体２１２の陽極板２１３は、キャッププレート２２１の下面に陽極タブ２１６が溶接されて、電気的に連結される。
前記絶縁ケース２２６は、前記電極組立体２１２の上面に設けられる。前記絶縁ケース２２６には、陰極タブ貫通部２２６ａ、陽極タブ貫通部２２６ｂ、及び電解液注入口２２６ｃが形成される。
前記栓２２７は、前記キャッププレート２２１に形成された電解液注入孔２２１ｂを介して缶２１１内部に電解液を注入した後、電解液注入孔２２１ｂの密閉に使用される。
前記保護回路基板１００は、基板ボディ１１０と前記基板ボディ１１０の内部に設けられるＰＴＣ素子１２０とを含む。前記基板ボディ１１０の中央に形成されたホール１１１の下端には電極端子１１４が備えられ、基板ボディ１１０の両端部下面にはリードプレート１１５、１１６が設けられる。通常、前記電極端子１１4は陰極端子の役割をし、前記リードプレート１１５、１１６は陽極端子の役割をする。しかし、このような極性は変わっても良い。
このように構成された本発明にかかる二次電池２００は、前記ベアセル２１０に前記保護回路基板１００が電気的に連結されて構成される。
前記基板ボディ１１０のホール１１１を介して電極端子１１４と前記ベアセル２１０の電極端子２２３とがスポット溶接される。そして、前記リードプレート１１５、１１６とベアセル２１０の上面とがレーザー溶接される。前記電極端子２２３が陰極端子である場合、前記キャッププレート２２１が前記ベアセル２１０の陽極端子の役割をする。すなわち、前記キャッププレート２２１の上面で、前記リードプレート１１５、１１６のうち少なくとも一つは、基板ボディ１１０の陽極端子と電気的に連結される。
このように構成される二次電池は、２次保護素子である前記ＰＴＣ素子１２０が基板ボディ１１０の内部に設けられ、二次電池２００が内外部的に熱に露出される場合に、電流の流れを遮断することで、電池の爆発または発火を防止するようになる。
この時、前記ＰＴＣ素子１２０は基板ボディ１１０の内部に設けられるので、ベアセル２１０との絶縁性能が向上する。すなわち、ＰＴＣ素子１２０をベアセル２１０と絶縁するための別途の部品を排除することができる。
さらに、保護回路基板１００とベアセル２１０との間にＰＴＣ素子１２０が配置されないので、それに相当する空間を他の部品や素子を設置するための空間として活用することができる。
次に、本発明にかかる電池パックに対して説明する。
図６は、本発明にかかる二次電池を備える電池パックを示す斜視図である。
図６を参照すれば、本発明にかかる電池パック３００は、ベアセル２１０と、前記ベアセル２１０に電気的に連結される保護回路基板１００と、前記保護回路基板１００を前記ベアセル２１０の上面に結合するトップケース３１０と、前記ベアセル２１０の下面に結合されるボトムケース３２０と、前記トップケース３１０とボトムケース３２０を前記ベアセル２１０に結合するとともに、ベアセル２１０の側面を保護するようにベアセル２１０の側面を包むラベル紙３３０とを含む。
前記保護回路基板１００は、ＰＴＣ素子１２０が内部に設けられた基板ボディ１１０を含む。ここで、前記保護回路基板１００とＰＴＣ素子１２０の構成は、上述した本発明の一実施例の構成と等しいので同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
前記トップケース３１０は、内部に前記保護回路基板１００が収容されるような大きさの内部空間を有し、下部が開放された直方体の形状を有する。そして、前記保護回路基板１００の外部端子１１２が露出されるために端子孔３１１が一側に形成され、他側には浸水シート３４０が付着する浸水シート付着部３１２が形成される。
前記ボトムケース３２０の両側辺には、前記ベアセル２１０の下端部側面を保持する側面リブ３２１が形成される。
前記ベアセル２１０とボトムケース３２０との間には両面テープ３５０が位置し、前記ベアセル２１０の下面とボトムケース３２０の上面とが互いに接着される。これにより、前記ベアセル２１０の下端に前記ボトムケース３２０が結合される。
前記ラベル紙３３０は、前記トップケース３１０の下端部と前記ボトムケース３２０の側面リブ３２１を包みながら、前記ベアセル２１０の側面を取り囲むようになる。
このように構成される本発明にかかる電池パック３００では、前記ベアセル２１０と前記保護回路基板１００とが電気的に連結されている。この時、前記ベアセル２１０の陰極端子である電極端子２２３は、保護回路基板１００の電極端子１１４と電気的に連結される。また、ベアセル２１０の陽極端子であるキャッププレート２２１は、保護回路基板１００のリードプレート１１５、１１６を介して電気的に連結される。
このように前記保護回路基板１００の内部に備えられたＰＴＣ素子１２０には、ベアセル２１０の電極端子２２３を介して熱が伝達され、電池の過熱による以上発生時、電流の流れを遮断して電池パック３００の爆発や発火を防止するようになる。
また、前記ＰＴＣ素子１２０は、基板ボディ１１０の内部に設けられる。そして、基板ボディ１１０の上下面が絶縁層でＰＳＲ処理されている。これにより、保護回路基板１００とベアセル２１０との絶縁性能が向上する。すなわち、ＰＴＣ素子１２０とベアセル２１０を絶縁するための別途の部品を排除することができる。
さらに、保護回路基板１００とベアセル２１０との間の空間を活用するか、または全体的に電池パック３００のサイズを減少させることができる効果が得られる。
１００：保護回路基板
１１０：基板ボディ
１２０：ＰＴＣ素子
２００：二次電池
２１０：ベアセル
３００：電池パック
１１０：基板ボディ
１２０：ＰＴＣ素子
２００：二次電池
２１０：ベアセル
３００：電池パック
Claims (19)
- 基板ボディ；及び
前記基板ボディに内蔵された２次保護素子を含み、
前記基板ボディは、少なくとも２層または４層の回路層を含み、前記２次保護素子は、上端部が前記回路層の最上層と連結され、下端部が前記回路層の最下層と連結され、
前記２次保護素子は、前記基板ボディの内部で前記基板ボディの外表面に露出されないことを特徴とする保護回路基板。 - 前記基板ボディは、略直方体形状に形成され、中央に形成されたホール、一面に実装されて電流を外部に伝達する外部端子、及び他側面に実装された充放電素子を有することを特徴とする請求項１に記載の保護回路基板。
- 前記基板ボディの上下面には、絶縁層が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の保護回路基板。
- 前記絶縁層はＰＳＲからなることを特徴とする請求項３に記載の保護回路基板。
- 前記２次保護素子は、ＰＴＣ素子またはこれと等価の保護素子であることを特徴とする請求項１に記載の保護回路基板。
- 前記ＰＴＣ素子は、略直方体に形成されたＰＴＣ本体と、前記ＰＴＣ本体の少なくとも二面を取り囲む第１導電部と、前記第１導電部と離隔して前記ＰＴＣ本体の前記第１導電部が取り囲まない他の面を取り囲む第２導電部とを含むことを特徴とする請求項５に記載の保護回路基板。
- ベアセル；及び
前記ベアセルに電気的に連結される保護回路基板を含み、
前記保護回路基板は、２次保護素子が内蔵された基板ボディを含み、
前記基板ボディは、少なくとも２層または４層の回路層を含み、前記２次保護素子は、上端部が前記回路層の最上層と連結され、下端部が前記回路層の最下層と連結され、
前記２次保護素子は、前記基板ボディの内部で前記基板ボディの外表面に露出されないことを特徴とする二次電池。 - 前記ベアセルは、缶、前記缶に収容される電極組立体、及び前記缶の開口部を密封するキャップ組立体を含むことを特徴とする請求項７に記載の二次電池。
- 前記保護回路基板において、前記基板ボディの中央に前記ベアセルの第１電極と接続される電極端子が具備され、前記基板ボディの両端部下面には前記ベアセルの第２電極と接続されるリードプレートが設けられたことを特徴とする請求項７に記載の二次電池。
- 前記基板ボディの上下面には、絶縁層が形成されたことを特徴とする請求項７に記載の二次電池。
- 前記絶縁層はＰＳＲからなることを特徴とする請求項１０に記載の二次電池。
- 前記２次保護素子は、ＰＴＣ素子またはこれと等価の保護素子であることを特徴とする請求項７に記載の二次電池。
- ベアセル；
前記ベアセルに電気的に連結される保護回路基板；及び
前記保護回路基板を前記ベアセルの一面に結合するトップケース及び前記ベアセルの他側面に結合されるボトムケースを含み、
前記保護回路基板は、２次保護素子が内蔵された基板ボディを含み、
前記基板ボディは、少なくとも２層または４層の回路層を含み、前記２次保護素子は、上端部が前記回路層の最上層と連結され、下端部が前記回路層の最下層と連結され、
前記２次保護素子は、前記基板ボディの内部で前記基板ボディの外表面に露出されないことを特徴とする電池パック。 - 前記ベアセルは、缶、前記缶に収容される電極組立体、及び前記缶の開口部を密封するキャップ組立体を含むことを特徴とする請求項１３に記載の電池パック。
- 前記保護回路基板において、前記基板ボディの中央に前記ベアセルの第１電極と接続される電極端子が具備され、前記基板ボディの両端部下面には前記ベアセルの第２電極と接続されるリードプレートが設けられたことを特徴とする請求項１３に記載の電池パック。
- 前記基板ボディの上下面には、絶縁層が形成されたことを特徴とする請求項１３に記載の電池パック。
- 前記絶縁層はＰＳＲからなることを特徴とする請求項１６に記載の電池パック。
- 前記２次保護素子は、ＰＴＣ素子またはこれと等価の保護素子であることを特徴とする請求項１３に記載の電池パック。
- 前記ベアセルとトップケース及びボトムケースの側面を包むラベル紙をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の電池パック。
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