KR100973422B1 - 콤팩트한 구조의 이차전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀, 전지셀의 과충전, 과방전, 과전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 모듈, 전지셀의 탑 캡에 장착되는 절연성 장착부재, 및 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡을 포함하고 있으며, 상기 탑 캡에는 적어도 하나 이상의 돌출형 전극단자들이 형성되어 있고, 상기 탑 캡에서 돌출형 전극단자들이 형성되어 있지 않은 일부 부위에는, 상기 보호회로 모듈의 하면에 탑재된 소자들이 도입될 수 있도록, 소정의 깊이로 하향 만입되어 있는 공간부(만입 공간부)가 형성되어 있으며, 상기 절연성 장착부재에는 상기 돌출형 전극단자들에 대응하는 관통홈(제 1 관통홈)과 상기 만입 공간부에 대응하는 형상의 관통홈(제 2 관통홈)이 각각 형성되어 있으며, 상기 보호회로 모듈에는 상기 제 1 관통홈과 연통되는 체결용 관통홈이 형성되어 있고, 상기 만입 공간부로 보호회로 모듈의 소자들이 도입된 상태에서, 상기 돌출형 전극단자들이 절연성 장착부재의 제 1 관통홈과 보호회로 모듈의 체결용 관통홈에 연속하여 삽입되어 고정됨으로써, 전지셀에 대한 절연성 장착부재 및 보호회로 모듈의 결합이 이루어지는 이차전지 팩을 제공한다.

Description

콤팩트한 구조의 이차전지 팩 {Secondary Battery Pack of Compact Structure}
본 발명은 콤팩트한 구조의 이차전지 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지셀, 보호회로 모듈, 절연성 장착부재, 및 절연성 캡을 포함하고 있으며, 상기 전지셀의 탑 캡에는 적어도 하나 이상의 돌출형 전극단자들과 소정의 깊이로 하향 만입되어 있는 만입 공간부가 형성되어 있고, 절연성 장착부재에는 상기 돌출형 전극단자들에 대응하는 관통홈(제 1 관통홈)과 상기 만입 공간부에 대응하는 형상의 관통홈(제 2 관통홈)이 각각 형성되어 있으며, 상기 보호회로 모듈에는 상기 제 1 관통홈과 연통되는 체결용 관통홈이 형성되어 있어서, 상기 만입 공간부로 보호회로 모듈의 소자들이 도입된 상태에서, 상기 돌출형 전극단자들이 절연성 장착부재의 제 1 관통홈과 보호회로 모듈의 체결용 관통홈에 연속하여 삽입되어 고정됨으로써, 전지셀에 대한 절연성 장착부재 및 보호회로 모듈의 결합이 이루어지는 이차전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격 히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이차전지는 외부 및 내부의 구조적 특징에 따라 대략 원통형 전지, 각형 전지 및 파우치형 전지로 분류되며, 그 중에서도 높은 집적도로 적층될 수 있고, 길이 대비 작은 폭을 가진 각형 전지와 파우치형 전지가 특히 주목받고 있다.
또한, 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목 받고 있다. 따라서, 이차전지를 사용하는 어플리케이션의 종류는 이차전지의 장점으로 인해 매우 다양화되어 가고 있으며, 향후에는 지금보다 많은 분야와 제품들에 이차전지가 적용될 것으로 예상된다.
그러나, 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 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 보호회로 모듈(PCM)이 전지셀에 접속된 상태로 탑재되어 있다.
PCM은 전류의 통전을 제어하는 스위칭 소자로서의 전계 효과 능동소자(FET; Field Effect Transistor)와, 전압 검출기, 저항, 축전기 등의 수동소자로 구성되어 있으며, 전지셀의 과충전, 과방전, 과전류, 단락, 역전압 등을 차단하여, 전지셀의 폭발이나 과열 또는 누액 및 충방전 특성의 악화를 방지하고, 전기적 성능의 저하와 물리화학적 이상거동을 억제함으로써, 위험 요소를 제거하고 사용수명을 연장시킨다.
일반적으로 PCM은 전도성 니켈 플레이트를 매개로 하여, 용접 또는 솔더링 방식으로 전지셀에 전기적으로 연결된다. 즉, PCM의 접속용 리드에 니켈 플레이트를 각각 용접 또는 솔더링하여 접속한 다음, 그러한 니켈 플레이트를 전지셀의 전극단자에 각각 용접 또는 솔더링하는 것으로 PCM을 전지셀에 연결하여 전지팩을 제조한다.
이 경우, 전지팩을 구성하기 위하여 다수의 용접 또는 솔더링이 요구되며, 이러한 용접 등은 이차전지의 작은 구조로 인해 매우 정밀한 작업으로 진행되어야 하므로, 그만큼 불량의 가능성이 높다. 더욱이, 제품의 제조공정 중에 이러한 작업의 추가로 인하여 제품단가가 상승하는 요인으로 작용한다.
한편, 최근에는 기판 상에 소자들을 장착하여 PCM을 제조하는 방법에 있어서, 전지팩의 전체적인 부피를 줄이기 위해 칩 온 보드(chip on board) 기술을 사용하여 두께가 매우 얇은 PCM을 제조한 후 전지팩 상단에 탑재하는 기술이 개발되었다. 그러나, 칩 온 보드 기술로 제조된 PCM은 종래기술에 의해 제조된 PCM에 비해 고가이므로, 전지팩의 제조비용을 상승시키는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 전지셀 상단에 탑재되는 절연성 장착부재 및 안전소자 등의 조립을 용이하게 하면서 동시에 종래기술에 의해 제조된 PCM을 탑재한 전지팩을 사용할 경우에도 전지팩의 부피를 전체적으로 증가시키지 않을 수 있도록, PCM이 탑재되는 전지팩 상단부의 공간을 효율적으로 활용할 수 있는 다양한 기술들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이와 관련하여, 일 예로, 한국 특허출원공개 제2007-0097143호는 서로 다른 두 전극 및 이들 두 전극 사이에 개재된 분리막이 적층되어 권취된 전극조립체, 상기 전극조립체가 수용되는 캔, 및 상기 캔의 개방된 상부와 결합되는 캡 조립체를 포함하는 이차전지에 있어서, 상기 전극조립체와 상기 캡 조립체 사이에 절연케이스가 설치되며, 상기 절연케이스에는 상기 캡 조립체의 하방 돌출부위를 적어도 일부 수용하는 제 1 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 이차전지를 개시하고 있다.
그러나, 상기 절연케이스에 형성된 제 1 홈은 절연케이스의 휨 변형을 방지하고, 캡 조립체와 절연케이스 사이의 불필요한 공간을 최소화 하기 위한 것으로서, 절연성 장착부재 및 안전소자 등의 조립을 용이하게 하거나, PCM의 소자들이 전부 도입될 수 있을 정도의 공간을 제공하지 못하는 구조이므로, 전지팩 상단의 공간을 효율적으로 활용하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 전지셀의 전극단자에 용접 또는 솔더링을 통하여 PCM 등의 안전소자를 연결해야 하므로, 전지팩 조립공정을 복잡하게 하는 문제점을 해결하지 못하고 있다.
따라서, 전지셀의 상단에 장착되는 부재의 수를 감소시켜 조립공정을 단순화할 수 있고, 보호회로 모듈과 절연성 장착부재를 무용접 방식으로 연결함과 동시에 전지팩의 두께를 증가시키지 않으면서 비교적 두꺼운 보호회로 모듈 등의 안전소자를 전지팩 상단에 장착할 수 있는 기술에 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, 전지셀의 탑 캡에 만입 공간부가 형성되어 있고, 그것의 상단부에 장착되는 보호회로 모듈과 절연성 캡을 특정한 형태의 체결 구조에 의해 결합하는 이차전지 팩을 개발하기에 이르렀고, 이러한 구조의 이차전지 팩은 조립 공정을 크게 단순화시킬 수 있고, 향상된 결합 강도에 의해 우수한 구조적 안정성을 제공함과 동시에 전지팩 상단의 공간을 효율적으로 활용할 수 있음을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 전지팩 상단의 공간을 효율적으로 활용하면서, 전지셀, 전지셀 상단의 보호회로 모듈 및 절연성 장착부재가 특정한 체결 구조를 통해 결합되는 이차전지 팩을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지 팩은,
전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있고, 전지케이스의 개방 상단은 탑 캡에 의해 밀봉되어 있는 전지셀;
전지셀의 과충전, 과방전, 과전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 모듈;
보호회로 모듈이 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며, 전지셀의 탑 캡 에 장착되는 절연성 장착부재; 및
보호회로 모듈이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡;
을 포함하고 있으며,
상기 탑 캡에는 적어도 하나 이상의 돌출형 전극단자들(제 1 돌출형 전극단자 및 제 2 돌출형 전극단자)이 형성되어 있고,
상기 탑 캡에서 돌출형 전극단자들이 형성되어 있지 않은 일부 부위에는, 상기 보호회로 모듈의 하면에 탑재된 소자들이 도입될 수 있도록, 소정의 깊이로 하향 만입되어 있는 공간부(만입 공간부)가 형성되어 있으며,
상기 절연성 장착부재에는 상기 돌출형 전극단자들에 대응하는 관통홈(제 1 관통홈)과 상기 만입 공간부에 대응하는 형상의 관통홈(제 2 관통홈)이 각각 형성되어 있으며,
상기 보호회로 모듈에는 상기 제 1 관통홈과 연통되는 체결용 관통홈이 형성되어 있고,
상기 만입 공간부로 보호회로 모듈의 소자들이 도입된 상태에서, 상기 돌출형 전극단자들이 절연성 장착부재의 제 1 관통홈과 보호회로 모듈의 체결용 관통홈에 연속하여 삽입되어 고정됨으로써, 전지셀에 대한 절연성 장착부재 및 보호회로 모듈의 결합이 이루어지는 구조로 이루어져 있다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지 팩은 전지셀, 보호회로 모듈, 절연성 장착부재 및 절연성 캡을 포함하는 것으로 구성되어 있고, 전지셀에 대한 절연성 장착부재 및 보호회로 모듈의 결합은 탑 캡에 형성되어 있는 돌출형 전극단자들이 절연성 장착부재의 제 1 관통홈들과 보호회로 모듈의 체결용 관통홈들에 연속하여 삽입되어 고정되는 것으로 달성되므로, 전체적으로 간단한 결합 방식으로 조립 과정이 수행될 수 있다.
또한, 상기 탑 캡에는 소정의 깊이로 하향 만입되어 있는 공간부(만입 공간부)가 형성되어 있으므로, 보호회로 모듈의 하면에 탑재된 소자들 다수가 도입할 수 있는 공간을 확보할 수 있어서, 보다 콤팩트한 이차전지 팩을 제조할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 이차전지 팩은, 절연성 장착부재 및 보호회로 모듈의 구조가 상호간에 견고한 기계적 체결이 용이하도록 형성되어 있으므로, 다수의 용접 또는 솔더링 등을 필요로 하는 종래의 이차전지 팩 구조와 비교하여 제조 공정을 단순화시키고, 외부의 충격, 진동 등에 대해 매우 안정적인 결합구조를 제공한다.
상기 전지케이스는 가공상의 용이성과 일정 수준 이상의 기계적 강도가 요구되므로, 금속 소재의 캔일 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 캔일 수 있다.
상기 탑 캡에 형성되는 만입 공간부의 형상은 다양할 수 있으며, 보호회로 모듈의 하면에 탑재된 소자들이 도입될 수 있는 구조의 공간이면 특별히 제한되지 않는다. 일 예로, 상기 만입 공간부는 평면상 직사각형 형상이고 네 모서리는 라운딩 처리되어 있는 구조일 수 있다. 이러한 형상의 만입 공간부는 탑 캡의 하부에 위치하는 전극조립체와 접촉되지 않으면서, 보호회로 모듈의 하면에 탑재된 소자들을 최대한 용이하게 도입할 수 있으므로 바람직하다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 만입 공간부는 탑 캡의 일부가 소정의 깊이로 소성변형 되어 형성되는 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 만입 공간부는 탑 캡의 제조과정에서, 소정의 깊이를 가지고 하향으로 만입되도록 딥 드로잉에 의해 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 만입 공간부의 깊이는 전지셀 내부의 전극조립체와 접촉되지 않으면서, 보호회로 모듈의 하면에 탑재된 소자들 다수를 탑재할 수 있는 공간을 가질 수 있도록, 0.1 내지 1.0 mm로 형성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.6 mm의 깊이로 이루어질 수 있다.
또 다른 바람직한 예에서, 상기 만입 공간부는, 탑 캡의 대응 부위가 소정의 깊이로 하향 절곡되어 형성된 관통구의 하단면에, 밀폐용 판상형 부재가 결합되어 형성되는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 구조에서, 상기 만입 공간부는 필요에 따라 깊이를 조절할 수 있으므로, 높이가 큰 보호회로 모듈의 소자들을 만입 공간부에 용이하게 도입할 수 있다. 상기 하향 절곡된 관통구의 하단면과 밀폐용 판상형 부재의 결합은 바람직하게는 용접에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 상기 만입 공간부의 깊이는 밀폐용 판상형 부재가 전극조립체와 접촉되지 않는 범위에서, 예를 들어, 0.5 내지 2.0 mm로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.6 내지 1.5 mm의 깊이로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 돌출형 전극단자가 절연성 장착부재의 제 1 관통홈 및 보호회로 모듈의 체결용 관통홈에 삽입된 후 고정되는 방식은 다양할 수 있으며, 상호간의 결합력을 향상시키고 전극단자와 보호회로 모듈 간의 전기적 접속을 이룰 수 있는 방식이라면 특별히 제한되지 않는다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 돌출형 전극단자의 단부가 보호회로 모듈의 상단면 상에 소정의 길이로 돌출된 상태에서 이를 압연하여 보호회로 모듈에 고정할 수 있다.
예를 들어, 돌출형 전극단자가 도전성 리벳으로 이루어진 경우, 한 쌍의 도전성 리벳을 각각 전극조립체의 양극 및 음극과 연결되는 구조로 상기 탑 캡에 형성한 후, 상기 절연성 장착부재의 제 1 관통홈들 및 보호회로 모듈의 체결용 관통홈들에 연속하여 삽입하고, 보호회로 모듈의 상단면으로부터 돌출된 전극단자의 단부를 압연하는 일련의 간단한 과정에 의해, 전지셀에 대한 절연성 장착부재 및 보호회로 모듈의 결합과 보호회로 모듈과 전극단자들의 전기적 접속을 동시에 달성할 수 있다. 돌출형 전극단자 단부의 압연은 전지셀에 대한 절연성 장착부재와 보호회로 모듈의 결합력을 더욱 향상시킨다.
또 다른 예로서, 상기 돌출형 전극단자가 절연성 장착부재의 제 1 관통홈 및 보호회로 모듈의 체결용 관통홈에 삽입된 후, 그것의 단부가 보호회로 모듈의 상단면 상에 소정의 길이로 돌출되어 있고, 상기 단부가 기계적 체결방식으로 보호회로 모듈에 고정되는 구조일 수 있다. 돌출된 전극단자 단부에 대한 보호회로 모듈의 기계적 체결방식은 다양할 수 있으며, 하나의 바람직한 예에서, 암나사 구조와 수나사 구조에 의한 체결방식을 들 수 있다.
한편, 상기 돌출형 전극단자들은 보호회로 모듈과 절연성 장착부재를 전지셀 상단에 고정시켜 결합하는 역할 이외에, 부가적으로 전지셀의 제조를 용이하게 하 고 구조를 간소화할 수 있는 역할을 수행할 수 있는 구조로 이루어질 수도 있다.
예를 들어, 상기 돌출형 전극단자들 중의 적어도 하나는 전지케이스 내부와 연통되는 관통로를 포함하는 중공 구조로 이루어져 있고, 이러한 관통로는 전지셀 제조 과정 중 전지케이스에 전극조립체를 장착한 후 전해액을 주입하기 위한 전해액 주입구로 사용될 수 있다.
즉, 돌출형 전극단자 자체가 전해액 주입구로 활용됨으로써, 종래의 전지셀에서와 같이 탑 캡 상에 별도의 전해액 주입구를 형성할 필요가 없다. 따라서, 상기 관통로는 전해액 주입구로서 사용된 후, 예를 들어, 금속 볼에 의해 밀봉되는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 돌출형 전극단자의 단부를 기계적 체결 방식으로 보호회로 모듈에 고정하는 구조에서, 예를 들어, 돌출형 전극단자의 단부에는 나사선이 형성되어 있고, 상기 단부가 보호회로 모듈의 상단면으로 돌출된 상태에서 너트를 결합시켜 기계적 체결을 이루는 구조로 이루어질 수도 있다.
상기 돌출형 전극단자들은 전지셀의 종류 및 외형에 관계없이 다양하게 적용가능 하나, 예를 들어, 각형 전지셀의 경우, 상기 제 1 돌출형 전극단자는 탑 캡과 전기적으로 연결된 상태에서 전지셀의 양극과 연결되어 있고, 상기 제 2 돌출형 전극단자는 탑 캡과 전기적으로 절연된 상태에서 전지셀의 음극과 연결되어 있는 구조일 수 있다. 따라서, 제 1 돌출형 전극단자는 양극단자, 제 2 돌출형 전극단자는 음극단자의 역할을 수행할 수 있다.
상기 구조에 대한 하나의 예로서, 상기 탑 캡에는 관통구가 형성되어 있고, 상기 제 1 돌출형 전극단자는 탑 캡과 일체형으로 형성되어 있으며, 상기 제 2 돌출형 전극단자는, 판상형의 본체, 본체의 상부로 수직 연장되어 있는 상부 연장부, 및 상기 탑 캡의 관통구에 삽입되고 본체의 하부로 수직 연장되어 있는 하부 연장부로 이루어져 있으며, 상기 하부 연장부의 단부를 압연하여 제 2 돌출형 전극단자를 탑 캡에 결합시키는 구조로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 제 1 돌출형 전극단자가 전기적으로 양극인 경우, 탑 캡과 일체형으로 형성된 제 1 돌출형 전극단자는 탑 캡을 프레스 성형하여 제조하는 과정에서 탑 캡과 동시에 형성될 수 있다. 그러나, 별도로 준비된 제 1 돌출형 전극단자를 탑 캡에 결합시켜 형성할 수 있음은 물론이며, 예를 들어, 탑 캡에 별도의 제 1 돌출형 전극단자를 용접에 의해 결합시킬 수도 있다. 다만, 제조 공정성 등을 고려할 때, 전자의 프레스 성형에 의한 돌출형 전극단자의 형성 방법이 더욱 바람직하다.
또한, 제 2 돌출형 전극단자가 전기적으로 음극인 경우, 상기와 같은 탑 캡과 제 2 돌출형 전극단자의 결합 구조에 의해, 제 2 돌출형 전극단자를 탑 캡에 더욱 용이하고 안정적으로 결합할 수 있고, 제 2 돌출형 전극단자의 상부 연장부 및 하부 연장부는 전지셀에 대한 보호회로 모듈과 절연성 장착부재의 결합을 더욱 견고하고 안정적으로 유지할 수 있다.
한편, 제 2 돌출형 전극단자가 전기적으로 음극인 구조에서, 상기 제 2 돌출형 전극단자가 양극의 탑 캡에 절연될 수 있도록, 예를 들어, 제 2 돌출형 단자와 탑 캡의 관통구의 계면에는 상호간의 절연을 위한 전기절연성 가스켓이 장착되는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 돌출형 전극단자들은 보호회로 모듈과 용이하게 전기적으로 연결되고, 만입 공간부는 보호회로 모듈의 소자들을 효과적으로 탑재할 수 있는 구조이면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는, 상기 돌출형 전극단자들은 탑 캡의 양측에 형성되어 있고, 상기 만입 공간부는 돌출형 전극단자들 사이의 공간에 형성되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 절연성 캡은 전지셀을 외부의 충격으로부터 보호하고 전지셀 상단에 장착되는 부재들에 대한 기계적 강도를 보완함과 동시에 전기적 절연상태를 유지하는 역할을 수행하게 된다. 바람직하게는, 전지셀에 대한 결합력을 향상시킬 수 있도록, 상기 절연성 캡은 전지셀 상에 장착된 상태에서 그것의 적어도 일부가 전지셀의 상단부의 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이로 하향 연장된 구조일 수 있다. 이러한 효과를 극대화하기 위하여, 상기 절연성 캡의 하향 연장부는 전지셀의 상단부 외측면에 접착 방식 또는 기계적 체결 방식으로 결합되어 있는 구조가 바람직하다.
상기 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡 이외에 하단부에도 별개의 절연성 캡(하단 캡)이 장착되는 구조일 수 있으며, 상기 전지셀의 케이스 외면에는 외장 필름이 부착되어 있는 구조일 수 있다. 이를 통해 외부 충격으로부터 전지셀을 보호하고 전기적 절연상태를 유지할 수 있다. 바람직하게는 상기 외장 필름은 절연성 캡의 하향 연장부를 감싸는 구조로 부착될 수 있다.
본 발명에 따른 이차전지 팩은, 전지셀의 종류 및 외형에 관계없이 다양하게 적용가능하며, 바람직하게는 양극/분리막/음극의 전극조립체가 각형의 금속 캔에 내장되어 있는 이른바 각형 전지일 수 있다.
본 발명은 또한, 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있고, 전지케이스의 개방 상단은 탑 캡에 의해 밀봉되어 있는 전지셀; 전지셀의 과충전, 과방전, 과전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 모듈; 보호회로 모듈이 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며, 전지셀의 탑 캡에 장착되는 절연성 장착부재; 및 보호회로 모듈이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡;을 포함하고 있으며, 상기 탑 캡에는, 상기 보호회로 모듈의 하면에 탑재된 소자들이 도입될 수 있도록, 하향 만입되어 있는 공간부(만입 공간부)가 형성되어 있으며, 상기 만입 공간부는, 탑 캡의 대응 부위가 소정의 깊이로 하향 절곡되어 형성된 관통구의 하단면에, 밀폐용 판상형 부재가 결합되어 형성되는 이차전지 팩을 제공한다.
즉, 상기 이차전지 팩은 상단이 탑 캡에 의해 밀봉되어 있는 전지셀, 보호회로 모듈, 절연성 장착부재 및 절연성 캡으로 구성되어 있고, 탑 캡에는 탑 캡의 대응 부위가 소정의 깊이로 하향 절곡되어 형성된 관통구의 하단면에, 밀폐용 판상형 부재가 결합되어 있는 만입 공간부가 형성되어 있어서, 보호회로 모듈의 하면에 탑재된 소자들을 만입 공간부에 용이하게 탑재할 수 있다.
또한, 상기 만입 공간부는 앞서 언급한 바와 같이 필요에 따라 탑 캡의 하향 절곡 깊이를 조절할 수 있으므로, 높이가 큰 보호회로 모듈의 소자들을 용이하게 도입할 수 있고, 전지팩의 전체 크기를 증가시키지 않고도 콤팩트한 이차전지 팩을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 전지셀에서 탑 캡 부위를 확대한 부분 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 이차전지 팩(100)은, 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있는 전지셀(130), 전지케이스의 개방된 상단을 밀봉하는 탑 캡(120), 보호회로가 형성되어 있는 판상형의 보호회로 모듈(150), 전지셀(130)의 탑 캡(120)에 장착되는 절연성 장착부재(140), 보호회로 모듈(150)이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(140)를 감싸면서 전지셀(130)의 상단부에 결합되는 절연성 캡(160), 전지셀(130)의 하단부에 장착되는 하단 캡(170) 등으로 구성되어 있다.
한 쌍의 돌출형 단자들(112, 114)은 탑 캡(120)의 상단부 양측에 상부 방향으로 돌출되어 있는 제 1 돌출형 전극단자(112)와 제 2 돌출형 전극단자(114)로 이루어져 있다. 또한, 탑 캡(120)의 한 쌍의 돌출형 단자들(112, 114) 사이에는 보호회로 모듈(150)의 하면에 탑재된 소자들이 도입될 수 있도록, 소정의 깊이로 하향 만입되어 있는 만입 공간부(122)가 형성되어 있다.
절연성 장착부재(140)에는 돌출형 전극단자들(112, 114)의 하단부에 대응하는 형상 및 크기로 이루어진 제 1 관통홈들(142, 144) 및 만입 공간부(122)에 대응하는 형상의 제 2 관통홈(146)이 형성되어 있고, 보호회로 모듈(150)에는 돌출형 전극단자들(112, 114)의 상단부에 대응하는 형상 및 크기로 이루어진 체결용 관통홈들(152, 154)이 형성되어 있다.
제 1 돌출형 단자(112)는 탑 캡(120)과 전기적으로 연결된 상태에서 전지셀(130)의 양극(도시하지 않음)과 연결되고, 제 2 돌출형 단자(114)는 탑 캡(120)과 전기적으로 절연된 상태에서 전지셀(130)의 음극(도시하지 않음)과 연결되어 있다.
전지셀(130)에 대한 절연성 장착부재(140) 및 보호회로 모듈(150)의 결합은, 돌출형 전극단자들(112, 114)을 절연성 장착부재(140)의 양 측부에 형성되어 있는 제 1 관통홈들(142, 144)과 보호회로 모듈(150)의 양 측부에 형성되어 있는 체결용 관통홈들(152, 154)에 삽입한 후, 돌출형 전극단자들(112, 114)의 단부를 압연함으로써 달성된다. 또한, 탑 캡(120)에 대한 절연성 장착부재(140)의 결합은 필요에 따라 접착제에 의해 더욱 견고하게 만들어질 수도 있다.
절연성 캡(160)은 보호회로 모듈(150)이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(140)를 감싸면서 전지셀(130)의 상단부에 결합되고, 전지셀(130) 상단부의 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이로 하향 연장되어 있다. 전지셀(150)의 하단에는 하단 캡(170)이 부착된다.
도 3에는 도 1의 이차전지 팩이 조립된 상태의 상부를 나타내는 수직 단면 모식도가 도시되어 있다.
도 3을 도 1과 함께 참조하면, 전지셀(130)의 상부는 탑 캡(120), 절연성 장착부재(140) 및 보호회로 모듈(150)이 순차적으로 장착되어 있고, 보호회로 모듈(150)의 하면에 실장된 소자들(156)은 탑 캡(120)의 상단면으로부터 소정의 깊이(d)로 하향 만입되어 있는 만입 공간부(122)에 도입되어 있다. 따라서, 전지팩의 높이는 보호회로 모듈(150)의 소자들(156)이 탑 캡(120)의 만입 공간부(122)로 도입됨에 따라 줄어들게 되며, 이러한 사공간의 감소에 의해 동일 규격의 전지팩에서 전지셀(130)의 크기를 증가시켜, 그만큼 전지 용량을 늘릴 수 있다. 만입 공간부(122)는, 예를 들어, 프레스 성형에 의해 탑 캡(120)을 제조할 때 딥 드로잉에 의해 형성될 수 있다.
도 4에는 도 3에서 만입 공간부가 변형되어 있는 이차전지 팩의 상부를 나타내는 수직 단면 모식도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 만입 공간부(222)는 탑 캡(220)의 중심부에 위치한 일부 부위가 소정의 깊이(D)로 하향 절곡된 관통구(224)와 관통구(224)의 하단면에 용접 방식으로 결합되어 있는 밀폐용 판상형 부재(226)에 의해 형성되어 있다. 이러한 구조의 만입 공간부(222)는 도 3의 만입 공간부(122)와 비교하여 상대적으로 깊게 형성될 수 있으며, 특히, 탑 캡(220)에 대한 딥 드로잉의 한계로 인하여 깊은 만입 형상을 형성할 수 없을 때 특히 바람직하다.
도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 탑 캡 부위를 확대한 부분 모식도가 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 전지셀(330)의 상단면에 장착되어 있는 탑 캡(320)에는 음극단자(312)가 상부 방향으로 돌출되어 있고, 탑 캡(320)의 일측 부위에는 보호회로 모듈(도시하지 않음)의 하면에 탑재된 소자들이 도입될 수 있도록, 소정의 깊이로 하향 만입되어 있는 만입 공간부(322)가 형성되어 있다.
도 6 및 도 7에는 도 5의 전지셀 구조에서 고려될 수 있는 전지팩의 상부 형상을 도시한 수직 단면 모식도들이 각각 도시되어 있다.
우선 도 6을 참조하면, 전지셀(330)의 상단면 중심 부위에 음극단자(312)가 상부 방향으로 돌출되어 있고, 음극단자(312)의 상부는 니켈 플레이트(352)에 의해 보호회로 모듈(350)과 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 보호회로 모듈(350)의 하면에 실장된 소자(356)들은 탑 캡(320)의 상단면으로부터 소정의 깊이(d)로 하향 만입되어 있는 만입 공간부(322)에 도입되어 있다.
도 7을 참조하면, 만입 공간부(422)는 탑 캡(420)의 상단면으로부터 소정의 깊이(D)로 하향 절곡되어 형성된 관통구(424)의 하단면에, 밀폐용 판상형 부재(426)가 용접 방식으로 결합되어 형성되어 있고, 보호회로 모듈(450)의 하면에 실장된 소자(456)들은 만입 공간부(422)에 도입되어 있다.
도 6의 만입 공간부(322)와 비교할 때, 도 7의 만입 공간부(422)는 중앙에 위치하는 음극단자(312)로 인해 한정되는 탑 캡(320)의 공간 상에 보다 효율적으로 깊은 깊이의 만입 형상을 형성할 수 있다는 장점이 있으며, 그에 따라, 크기가 큰 소자(356)가 만입 공간부(422)로 도입될 수 있다.
도 8 및 도 9에는 본 발명에 따른 전지팩에서 사용될 수 있는 예시적인 제 1 돌출형 전극단자들의 수직 단면 모식도들이 도시되어 있다.
이들 도면을 도 1과 함께 참조하면, 도 8의 제 1 돌출형 전극단자(112a)는 도전성 리벳으로서, 판상형 헤드(1122)와 헤드(1122)에 수직으로 연장된 바디(1124)로 이루어져 있다. 또한, 바디(1124)의 단부 외주면에 나사선(1125)이 형성되어 있어서, 절연성 장착부재(140)의 제 1 관통홈들(142, 144) 및 보호회로 모듈(150)의 체결 관통홈들(152, 154)에 연속적으로 삽입된 후, 단부의 나사선(1125)은 너트(도시하지 않음)와 기계적으로 체결된다.
도 9의 제 1 돌출형 전극단자(112b)에서, 헤드(1122)의 하단부는 탑 캡(120')과 일체형으로 이루어져 있어서, 전지팩 제조시 부품수를 절감할 수 있고, 헤드(1122)와 바디(1124)의 중앙부위에 관통로(1121)가 형성되어 있어서 전해액 주입구로 사용될 수 있다. 탑 캡(120')과 일체화되어 있는 제 1 돌출형 전극단자(112')는, 예를 들어, 탑 캡(120')을 프레스 성형할 때 동시에 형성되도록 할 수 있다.
도 10에는 본 발명에 따른 전지팩에서 사용될 수 있는 예시적인 제 2 돌출형 전극단자의 수직단면 모식도가 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 제 2 돌출형 전극단자(114')는 판상형의 본체(1142), 본체(1142)의 상부로 수직 연장되어 있는 상부 연장부(1144), 및 탑 캡(도 11:120')의 관통구(도 11: 126)에 삽입되고 본체(1142)의 하부로 수직 연장되어 있는 하부 연장부(1146)로 구성되어 있다.
또한, 상부 연장부(1144)와 하부 연장부(1146)의 각 단부에는 만입홈 들(1143, 1145)이 형성되어 있어서, 단부의 압연을 용이하게 할 수 있다.
도 11에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 상부를 나타내는 수직단면 모식도가 도시되어 있다. 이해의 편의를 위하여 도 11은 돌출형 전극단자들을 압연하기 이전의 상태로서 나타내었다.
도 11을 참조하면, 이차전지 팩(도시하지 않음)의 상부에 제 1 돌출형 전극단자(112b)와 일체형으로 형성된 탑 캡(120')에 절연성 장착부재(140') 및 보호회로 모듈(150')이 순차적으로 장착되어 있다.
제 1 돌출형 전극단자(112b)는 앞서 설명한 바와 같이, 중앙부위에 전해액을 주입하기 위한 관통로(1121)가 형성되어 있고, 탑 캡(120')과 일체형으로 형성되어 있다.
반면에, 제 2 돌출형 전극단자(114')는 그것의 하부 연장부(1146)가 탑 캡(120')의 관통구(126)에 상부로부터 삽입 및 장착되어 있고, 제 2 돌출형 전극단자(114')와 탑 캡(120')의 계면에는 상호간의 절연을 위해 전기절연성 가스켓(124)이 장착되어 있다. 또한, 제 2 돌출형 전극단자(114')의 상부 연장부(1144)와 하부 연장부(1146)의 단부에는 만입홈들(1143, 1145)이 각각 형성되어 있다.
따라서, 제 1 돌출형 전극단자(112b)와 제 2 돌출형 전극단자(114')의 돌출 단부를 각각 압연하면, 탑 캡(120') 상에 장착부재(140')와 보호회로 모듈(150')이 견고하게 결합되게 된다.
또한, 제 1 돌출형 전극단자(112b)와 제 2 돌출형 전극단자(114') 사이의 공간에서 탑 캡(120') 상에는 보호회로 모듈(150')의 하면에 실장된 소자들(156')이 도입될 수 있는 만입 공간부(122')가 형성되어 있다. 따라서, 탑 캡(120') 상부에 탑재되는 장착부재(140')와 보호회로 모듈(150')의 전반적인 높이를 크게 줄일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지 팩은 특정 구조의 돌출형 전극단자들을 사용하여 전지팩 상단의 절연성 장착부재 및 보호회로 모듈을 결합하는 구조로 이루어져 있으므로, 전지팩 조립 공정을 크게 단순화시킬 수 있고, 우수한 결합력에 의해 전지팩의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 탑 캡에 소정의 깊이로 하향 만입되어 있는 만입 공간부에 보호회로 모듈의 하면에 탑재된 소자들을 도입할 수 있으므로, 동일 크기의 전지팩보다 고용량을 가진 콤팩트한 이차전지 팩을 제조할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 분해 사시도이다;
도 2는 도 1의 전지셀에서 탑 캡 부위를 확대한 부분 모식도이다;
도 3은 도 1의 이차전지 팩이 조립된 상태의 상부를 나타내는 수직 단면 모식도이다;
도 4는 도 3에서 만입 공간부가 변형되어 있는 이차전지 팩의 상부를 나타내는 수직 단면 모식도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전지셀의 탑 캡 부위를 확대한 부분 모식도이다;
도 6 및 도 7은 도 5의 전지셀 구조에서 고려될 수 있는 전지팩의 상부 형상을 도시한 수직 단면 모식도들이다;
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 전지팩에서 사용될 수 있는 예시적인 제 1 돌출형 전극단자들의 수직 단면 모식도들이다;
도 10은 본 발명에 따른 전지팩에서 사용될 수 있는 예시적인 제 2 돌출형 전극단자의 수직단면 모식도이다;
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 상부를 나타내는 수직단면 모식도이다.

Claims (19)

  1. 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있고, 전지케이스의 개방 상단은 탑 캡에 의해 밀봉되어 있는 전지셀;
    전지셀의 과충전, 과방전, 과전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 모듈;
    보호회로 모듈이 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며, 전지셀의 탑 캡에 장착되는 절연성 장착부재; 및
    보호회로 모듈이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡;
    을 포함하고 있으며,
    상기 탑 캡에는 적어도 하나 이상의 돌출형 전극단자들(제 1 돌출형 전극단자 및 제 2 돌출형 전극단자)이 형성되어 있고,
    상기 탑 캡에서 돌출형 전극단자들이 형성되어 있지 않은 일부 부위에는, 상기 보호회로 모듈의 하면에 탑재된 소자들이 도입될 수 있도록, 소정의 깊이로 하향 만입되어 있는 공간부(만입 공간부)가 형성되어 있으며,
    상기 절연성 장착부재에는 상기 돌출형 전극단자들에 대응하는 관통홈(제 1 관통홈)과 상기 만입 공간부에 대응하는 형상의 관통홈(제 2 관통홈)이 각각 형성되어 있으며,
    상기 보호회로 모듈에는 상기 제 1 관통홈과 연통되는 체결용 관통홈이 형성 되어 있고,
    상기 만입 공간부로 보호회로 모듈의 소자들이 도입된 상태에서, 상기 돌출형 전극단자들이 절연성 장착부재의 제 1 관통홈과 보호회로 모듈의 체결용 관통홈에 연속하여 삽입되어 고정됨으로써, 전지셀에 대한 절연성 장착부재 및 보호회로 모듈의 결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스는 금속 캔인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 만입 공간부는 평면상 직사각형 형상이고 네 모서리는 라운딩 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 만입 공간부는 탑 캡의 일부가 소정의 깊이로 소성변형 되어 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 만입 공간부의 깊이는 0.1 내지 1.0 mm로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 만입 공간부의 깊이는 0.3 내지 0.6 mm로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 만입 공간부는, 탑 캡의 대응 부위가 소정의 깊이로 하향 절곡되어 형성된 관통구의 하단면에, 밀폐용 판상형 부재가 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 만입 공간부의 깊이는 0.5 내지 2.0 mm로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 만입 공간부의 깊이는 0.6 내지 1.5 mm로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 돌출형 전극단자의 단부가 보호회로 모듈의 상단면 상에 소정의 길이로 돌출된 상태로 압연되어 보호회로 모듈에 고정되는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 돌출형 전극단자의 단부가 보호회로 모듈의 상단면 상에 소정의 길이로 돌출되어 있고, 상기 단부가 기계적 체결방식으로 보호회로 모듈에 고정되는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 돌출형 전극단자들 중의 적어도 하 나는 전지케이스 내부와 연통되는 관통로를 포함하는 중공 구조로 이루어져 있고, 상기 관통로는 전해액 주입구로서 사용된 후 금속 볼에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 돌출형 전극단자의 단부에는 나사선이 형성되어 있고, 상기 단부가 보호회로 모듈의 상단면으로 돌출된 상태에서 너트를 결합시켜 기계적 체결을 이루는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 돌출형 전극단자는 탑 캡과 전기적으로 연결된 상태에서 전지셀의 양극과 연결되어 있고, 상기 제 2 돌출형 전극단자는 탑 캡과 전기적으로 절연된 상태에서 전지셀의 음극과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 탑 캡에는 관통구가 형성되어 있고,
    상기 제 1 돌출형 전극단자는 탑 캡과 일체형으로 형성되어 있으며,
    상기 제 2 돌출형 전극단자는 판상형의 본체, 본체의 상부로 수직 연장되어 있는 상부 연장부, 및 상기 탑 캡의 관통구에 삽입되고 본체의 하부로 수직 연장되어 있는 하부 연장부로 이루어져 있으며, 상기 하부 연장부의 단부를 압연하여 제 2 돌출형 전극단자를 탑 캡에 결합시키는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 2 돌출형 전극단자와 탑 캡의 관통구의 계면에는 상호간의 절연을 위한 전기절연성 가스켓이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 돌출형 전극단자들은 탑 캡의 양측에 형성되어 있고, 상기 만입 공간부는 돌출형 전극단자들 사이의 공간에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 각형의 리튬 이차전지 셀인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  19. 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스에 내장되어 있고, 전지케이스의 개방 상단은 탑 캡에 의해 밀봉되어 있는 전지셀;
    전지셀의 과충전, 과방전, 과전류를 제어하는 보호회로가 형성되어 있는 보호회로 모듈;
    보호회로 모듈이 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있으며, 전지셀의 탑 캡에 장착되는 절연성 장착부재; 및
    보호회로 모듈이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡;
    을 포함하고 있으며,
    상기 탑 캡에는, 상기 보호회로 모듈의 하면에 탑재된 소자들이 도입될 수 있도록, 하향 만입되어 있는 공간부(만입 공간부)가 형성되어 있으며,
    상기 만입 공간부는, 탑 캡의 대응 부위가 소정의 깊이로 하향 절곡되어 형성된 관통구의 하단면에, 밀폐용 판상형 부재가 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
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