KR101012728B1 - 신규한 구조의 ｐｃｍ 어셈블리 및 절연성 장착부재를포함하고 있는 이차전지 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지셀, 접속부재(A)를 포함하는 PCM 어셈블리, 접속부재(B)가 매립되어 있는 절연성 장착부재, 및 절연성 캡을 포함하며, 상기 접속부재(B)는 전지셀 상에 절연성 장착부재를 장착한 상태에서 전지셀의 제 2 전극단자와 용접 방식에 의해 결합되면서 전기적으로 연결되고, 상기 접속부재(A)는 PCM의 상측으로부터 전지셀의 제 1 전극단자에 결합되어 전기적으로 연결되며, 상기 PCM 어셈블리에 대한 접속부재(B)의 전기적 연결은 물리적 접촉 방식으로 달성되는 구조의 이차전지 팩을 제공한다.

Description

신규한 구조의 ＰＣＭ 어셈블리 및 절연성 장착부재를 포함하고 있는 이차전지 팩 {Secondary Battery Pack Having PCM Assembly and Insulating Mounting Member of Novel Structure}
본 발명은 신규한 구조의 PCM 어셈블리 및 절연성 장착부재를 포함하고 있는 이차전지 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전지셀, 접속부재(A)를 포함하는 PCM 어셈블리, 접속부재(B)가 매립되어 있는 절연성 장착부재, 및 절연성 캡을 포함하며, 상기 접속부재(B)는 전지셀 상에 절연성 장착부재를 장착한 상태에서 전지셀의 제 2 전극단자와 용접 방식에 의해 결합되면서 전기적으로 연결되고, 상기 접속부재(A)는 PCM의 상측으로부터 전지셀의 제 1 전극단자에 결합되어 전기적으로 연결되며, 상기 PCM 어셈블리에 대한 접속부재(B)의 전기적 연결은 물리적 접촉 방식으로 달성되는 구조의 이차전지 팩에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특 성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
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, 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.
일반적으로 PCM 등은 도전성 니켈 플레이트를 매개로 하여 용접 또는 솔더링 방식으로 전지셀에 연결된다. 즉, PCM의 전극 탭에 니켈 플레이트를 각각 용접 또는 솔더링하여 접속한 다음, 그러한 니켈 플레이트를 전지셀의 전극단자에 각각 용접 또는 솔더링하는 방법으로 PCM을 전지셀에 연결하여 전지팩을 제조한다.
이러한 PCM을 포함한 안전소자들은 전극단자와 전기적 접속을 유지하면서 동시에 전지셀의 다른 부분과는 전기적 절연상태를 유지하여야 한다. 이러한 접속 형태를 구성하기 위해서는 다수 개의 절연성 장착부재 또는 다수의 부품들이 요구되므로, 전지팩의 조립공정을 복잡하게 만들고 상대적으로 전지셀을 수납하는 공간이 감소하게 되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 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 공정의 추가로 인하여 제품단가가 상승하는 요인으로 작용한다.
따라서, 전지셀 상단에 탑재되는 부품의 수를 줄이고 전지셀의 용량을 증가시키는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 예를 들어, 한국 특허출원공개 제2005-0121116호는 베어 셀 외측에 보호회로부를 결합하여 이루어지는 이차전지에 있어서, 상기 보호회로부는 별도의 성형수지나 조립체 형태로 이루어지고, 상기 보호회로부와 상기 베어 셀의 외면 가운데 이들이 서로 결합될 결합면에는 이들을 결합할 수 있는 접속단자가 형성되어 있으며, 상기 보호회로부에는 용접을 위해 상기 보호회로부와 상기 베어 셀의 접속단자가 접촉되는 용접 부위를 외부에 드러낼 수 있는 공간이 형성되어 있는 이차전지를 개시하고 있다.
그러나, 상기 기술은 베어 셀과 보호회로부 사이에 용접 부위를 외부에 드러낼 수 있는 공간을 형성해야 하므로, 전체적으로 전지팩의 부피를 증가시켜 전지셀의 수납 공간을 감소시킬 수 있는 문제점이 있다.
또한, 한국 특허출원공개 제2006-0101573호는 전지셀 연결단자를 가진 전지 보호회로 기판에 있어서, 상기 전지 보호회로 기판 상의 전지셀 연결단자 중 하나에 리드타입 정특성 폴리 스위치를 직접 접촉시켜 납땜 연결한 것을 특징으로 하는 리드타입 정특성 폴리 스위치가 표면실장된 전지 보호회로 인쇄회로기판을 개시하고 있다.
그러나, 상기 인쇄회로기판은 PCB 제작공정과, 제작된 PCB에 페이스트 형태의 납을 바르고 마운팅 장치를 통하여 리드타입 정특성 폴리 스위치를 포함하며 보호회로를 구성하는 부품을 정해진 위치에 실장하는 마운팅 공정, 리플로우 공정, 상기 리플로우 공정을 거친 보호회로 기판을 열처리하는 후 열처리 공정, 및 리드타입 정특성 폴리 스위치를 포함한 보호회로 기판을 검사하는 검사 공정 등 일련의 복잡한 공정단계를 거쳐 제조되므로, 전지의 제조과정이 복잡해지고, 생산성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 종래기술의 문제점을 해소하면서, 전지셀의 상단에 장착되는 부재들의 수를 감소시켜 조립공정을 단순화하고, 용접 공정수를 줄여 불량의 발생을 감소시키며, 전지셀 상단부에 탑재되는 부재들을 상호간 안정적으로 결합시킴과 동시에 전지셀의 용량 또한 증가시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지팩에 소요되는 부품 수를 줄이고 조립공정을 단순화하여 전지의 제조비용을 감소시키고, 외부충격에 의한 불량 및 내부저항의 변화를 최소화할 수 있는 안정적인 결합구조를 가지면서, 동일 규격 대비 전지의 용량을 증가시킬 수 있는 이차전지 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 이차전지 팩의 제조가 가능할 수 있도록 접속부재들이 특정한 구조로 결합되어 있는 신규한 구조의 PCM 어셈블리 및 절연성 장착부재를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지 팩은,
양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 제 1 전극단자 및 제 2 전극단자가 전지케이스의 상단에 형성되어 있는 전지셀;
보호회로모듈(PCM), 및 상기 PCM의 하면에 결합되어 있는 접속부재(A)로 이루어져 있고, 하기 절연성 장착부재와의 결합을 위한 관통홈이 일측에 천공되어 있는 PCM 어셈블리;
PCM 어셈블리가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있고, 상기 전지셀의 제 2 전극단자와 결합되는 접속부재(B)가 그것의 상면과 하면이 각각 노출된 상태로 매립되어 있으며, 상기 관통홈에 대응하는 위치에 체결구가 형성되어 있고, 전지셀의 상단면에 장착되는 절연성 장착부재; 및
상기 PCM 어셈블리가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡; 을 포함하고 있으며,
상기 접속부재(B)는 전지셀 상에 절연성 장착부재를 장착한 상태에서 전지셀의 제 2 전극단자와 용접 방식에 의해 결합되면서 전기적으로 연결되고,
상기 접속부재(A)는 전지셀에 전기적으로 연결되는 부위가 PCM 어셈블리의 상측으로부터 노출될 수 있도록 PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌 출 연장되어 있어서, 상기 관통홈에 체결구를 삽입하여 절연성 장착부재 상에 PCM 어셈블리를 탑재한 상태에서, PCM의 상측으로부터 전지셀의 제 1 전극단자에 결합되어 전기적으로 연결되며,
상기 PCM 어셈블리에 대한 접속부재(B)의 전기적 연결은 물리적 접촉 방식으로 달성하는 구조로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 이차전지 팩은 절연성 장착부재 상에 PCM 어셈블리를 탑재한 상태에서, PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장되어 있는 접속부재(A)가 상측으로부터 전지셀의 제 1 전극단자에 전기적으로 연결되고, 상면과 하면이 각각 노출된 상태로 절연성 장착부재에 매립되어 있는 접속부재(B)는 PCM 어셈블리와 물리적 접촉 방식으로 전기적 연결이 달성되므로, 전체적으로 간단한 연결 방식으로 소정의 조립 과정이 수행될 수 있고, 작업의 용이성이 향상되어 제조 공정성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, PCM의 일측 단부로부터 연장된 접속부재(A)는 비절곡 상태이고, 절연성 장착부재에 매립되어 있는 접속부재(B)는 별도의 탑재공간을 필요로 하지 않으므로, 종래기술에서 PTC 소자의 전기적 연결을 위해 접속부재들이 절곡되면서 초래되는 사공간(dead space)을 최소화할 수 있고, 동일 규격 대비 높은 에너지 밀도의 전지팩을 제조할 수 있다.
한편, 본 출원인은 한국 특허출원 제2007-0105189호에서 전지셀 상단에 장착되는 부재들 및 그것의 조립 공정을 더욱 간소화한 구조의 이차전지 팩으로서, PCM의 중앙부에 개구가 형성되어 있고, 접속부재가 개구의 하면에 밀착되어 있는 구조 로 이루어져 있어서, 개구를 이용하여 접속부재와 전지셀 전극단자를 용접에 의해 상호간 결합시킬 수 있는 이차전지 팩을 제시한 바 있다.
반면에, 상기 구조의 이차전지 팩은, PCM의 개구 구조가 전지셀의 전극단자에 대응하는 위치에 형성되어야 하므로, 외부 입출력 단자들을 개구가 형성된 PCM의 중앙부위에는 위치시키지 못하는 제약이 있었다.
이와는 달리, 본 발명에 따른 이차전지 팩은, 전지셀의 상부에 장착되는 부재들의 수를 최소화하고 조립 공정을 간소화하면서도, PCM에 개구가 형성되어 있지 않은 구조로 이루어져 있으므로, PCM 상면에 형성되는 외부 입출력 단자들의 위치가 상기와 같이 제약을 받지 않는다는 특징도 있다. 따라서, PCM의 상면에서 외부 입출력 단자들은 이차전지 팩이 사용되는 디바이스의 사양에 따라 소망하는 위치에 형성될 수 있다.
상기 전지케이스는 가공상의 용이성과 일정 수준 이상의 기계적 강도가 요구되므로, 금속 소재의 캔일 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄 캔 또는 스테인리스 스틸 캔일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 제 1 전극단자는 양극단자이고 제 2 전극단자는 음극단자일 수 있다. 예를 들어, 각형 전지셀은 그것의 상단면에 돌출된 전극단자와 전지케이스가 각각 음극단자와 양극단자를 형성하는 구조로 이루어져 있고, 이들 사이에는 절연부재가 개재되어 상호 절연을 이루고 있다. 따라서, 이러한 각형 전지셀 구조에서, 제 1 전극단자는 전지케이스의 상단면인 양극단자이고 제 2 전극단자는 상기 전지케이스 상단면에 돌출된 음극단자일 수 있다.
상기 접속부재(A)는, 앞서 언급한 바와 같이, PCM의 회로에 연결된 상태로 PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출된 구조로 PCM의 하면에 결합되어 있다.
이러한 접속부재(A)와 PCM의 결합(전기적 접속)은 다양한 방법으로 달성될 수 있으며, 바람직하게는, 표면실장기술(SMT) 방식에 의해 PCM의 하면에 접속부재(A)를 결합시킨 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 SMT 방식은 솔더링시 페이스트가 PCM의 하면에 남아 있거나 용접시 PCM의 하면이 열에 의해 파손되는 것을 방지하고, 종래의 용접 또는 솔더링 방식보다 정확하고 신뢰성있게 상호간 결합할 수 있으므로 바람직하다. 참고로, SMT는 인쇄회로기판(PCB)과 같은 전자기판 위에 표면실장형 부품을 장착하는데 많이 사용되고 있다.
또 다른 예로서, 상기 접속부재(A)는, 바람직하게는, PTC 본체, 상기 PTC 본체의 상면에 결합되어 있는 PCM 결합부, 및 상기 PTC 본체의 하면에 결합되어 있는 전지셀 결합부를 포함하는 PTC 소자의 구조로 이루어져 있고, 그 중 전지셀 결합부가 PCM 어셈블리의 상측으로부터 노출될 수 있도록 PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 접속부재(A)는, 전지팩이 내부 단락 등의 원인으로 온도가 급상승할 경우, PTC 소자와 결합된 상기 접속부재(A)는 전지팩의 상단 어셈블리에서 전류를 차단하는 역할을 함으로써, 전지팩의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장되어 있는 전지셀 결합부에 의해, PCM의 상측으로부터 전지셀과의 용접 등을 통한 결합이 가능하므로, 전지팩의 제조 공정성 향상에 기여할 수 있다.
이러한 구조에서, 상기 PTC 본체는 온도에 따라 저항이 변화하는 물질이 포함되어 있어서, 전지 내부의 온도가 급상승할 경우, 전류를 차단할 수 있고 상, 하면에 각각의 결합부가 연결될 수 있는 구조로 형성되어야 하므로, 예를 들어, PTC 고분자 복합체(polymer composite)로 이루어진 PTC 물질층의 상면과 하면에 각각 금속 호일을 접합하는 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 PTC 소자의 PCM 결합부와 전지셀 결합부는 전도성 소재로 이루어져 있다면 그것의 종류가 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 니켈 플레이트 등의 금속 플레이트일 수 있다.
한편, 상기 접속부재(B)는 PCM 어셈블리의 단자 접속부에 대면하는 상면과 전지셀 전극단자에 대면하는 하면을 제외한 나머지 부위가 절연성 장착부재에 매립되어 있는 구조로 이루어져 있다.
따라서, PCM 어셈블리의 단자 접속부에 대면하는 상면과 전지셀 전극단자에 대면하는 하면을 제외하고 나머지 부위는 절연성 장착부재에 의해 효과적으로 전기적 절연상태를 유지할 수 있으며, 전지셀의 전극단자와 PCM 어셈블리의 전기적 연결상태는 안정적으로 달성될 수 있다.
상기 구조에서, 접속부재(B)를 절연성 장착부재에 매립하는 방법은 다양할 수 있으며, 예를 들어, 서로 다른 재질의 소재를 결합시키거나 조합하여 일체화시키는 방법인 인서트 사출 성형 과정에서 접속부재(B)를 동시에 형성하는 것이 제조공정 수를 절감할 수 있으므로 바람직하다. 따라서, 상기 접속부재(B)는 절연성 장착부재의 인서트 사출 성형시 매립되도록 제조할 수 있지만, 그것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 절연성 장착부재에 소정의 개구를 천공하고, 접속부재(B)가 그것의 상면과 하면이 각각 노출된 상태로 상기 개구에 체결되는 구조도 가능하다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 접속부재(B)는, 앞서 설명한 바와 같이, PCM 어셈블리의 단자 접속부에 대면하는 상면과 전지셀 전극단자에 대면하는 하면을 제외한 나머지 부위가 절연성 장착부재에 매립되어 있는 상태에서, 절연성 장착부재에 안정적으로 고정될 수 있도록, 바람직하게는, 절연성 장착부재에 매립된 적어도 일부가 돌기 형태로 절연성 장착부재의 상단면으로부터 세로방향으로 돌출된 형태로 노출되어 있는 구조일 수 있다.
세로방향으로 돌출된 이러한 돌기 구조는, 접속부재(B)와 절연성 장착부재 간의 결합력을 높여, 외력에 의해 접속부재(B)가 그것이 매립되어 있는 절연성 장착부재로부터 분리되는 것을 효과적으로 방지하여 준다.
상기 접속부재(B)는 전도성 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 니켈 플레이트일 수 있다.
상기 절연성 장착부재는 접속부재(A)가 전지셀에 연결되는 부위를 확보할 수 있도록 전지셀의 상단면보다 가로방향으로 작은 크기를 가지며, 전지셀의 제 2 전극단자와 결합되는 접속부재(B)와, 상기 접속부재(B)로부터 소정의 이격거리에 전지셀의 케이스 상단 돌출부('밀봉된 전해액 주입부')가 상부로부터 노출되는 개구가 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 절연성 장착부재가 전지셀의 상단면 보다 가로방향으로 작은 크기로 형성되어 있으므로, 상기 PCM 어셈블리의 일측 단부와 전지셀 상단면의 일측 단부 사이에 접속부재(A)를 위치시킬 공간을 용이하게 확보할 수 있다.
상기 접속부재(B)와 개구의 형상은 다양할 수 있다. 예를 들어, 접속부재(B)는 제 2 전극단자와 접촉되므로 평면상 직사각형 형상으로 이루어질 수 있고, 개구는 원형의 돌출 형상인 밀봉된 전해액 주입부에 대응하여 평면상 원형 형상으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 절연성 장착부재의 상면에는 PCM 어셈블리가 장착되는 바, 절연성 장착부재에 대한 PCM 어셈블리의 안정적인 장착 상태를 확보할 수 있도록, 절연성 장착부재는 폭 방향의 양측 단부에 수납용 측벽이 상향 돌출되어 있는 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로는, 상기 측벽의 상단부가 PCM 어셈블리를 지지하면서 결합되는 구조로 이루어질 수 있으며, 이러한 구조는 PCM 어셈블리와 절연성 장착부재 사이에 소정의 이격된 공간을 제공하여, 절연성 장착부재에 매립된접속부재(B)와 PCM 어셈블리의 물리적 접촉공간을 확보할 수 있다.
상기 전지케이스 상단면에 대한 절연성 장착부재의 결합은, 절연성 장착부재에 매립된 접속부재(B)를 전지셀에 연결하기 위해 용접하는 과정에서 자동적으로 달성되지만, 전지팩 조립 공정의 용이성 및 더욱 안정적인 결합 상태를 확보할 수 있도록, 예를 들어, 접착(Bonding) 방식에 의해 별도로 결합될 수 있다.
상기 절연성 캡은 전지셀을 외부의 충격으로부터 보호하고 전지셀 상단에 장 착되는 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 적용 가능하며, 바람직하게는 각형의 리튬 이차전지를 전지셀로서 포함하는 전지팩에 적용될 수 있다.
본 발명은 또한, 전지셀에 장착되는 PCM 어셈블리로서,
보호회로모듈(PCM)과, 상기 PCM의 하면에 SMT 방식으로 결합되어 있는 접속부재(A), 및 상기 PCM의 상면에 형성되어 있는 외부 입출력 단자들을 포함하고 있으며,
접속부재(A)는 전지셀에 대한 용접 부위가 PCM 어셈블리의 상측으로부터 노 출될 수 있도록 PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장된 상태로 PCM에 결합되며,
상기 외부 입출력 단자들은 PCM의 중앙부, 좌측부 및 우측부로 이루어진 군에서 선택되는 임의의 부위에 형성되어 있는 구조의 PCM 어셈블리를 제공한다.
일반적으로, PCM은 별도의 부재로서 전지셀 상단부에 전기적으로 연결된 상태로 장착된다. 따라서, 이러한 PCM을 전지셀 외부에 장착하기 위해서는, 다수의 용접 또는 솔더링 작업 등 전지셀과의 까다로운 결합공정이 행해지므로 불량이 많이 발생하고 그와 동시에 장착을 위한 공간이 요구되는 등의 문제점들이 유발된다.
이와는 달리, 본 발명에 따른 PCM 어셈블리는, PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장된 상태로 SMT 방식에 의해 접속부재(A)가 결합되어 있으므로, 종래의 용접 또는 솔더링 방식에 비해 접속부위의 불량률이 많이 감소되고 조립과정을 절감할 수 있다.
또한, PCM에 용접을 수행하기 위한 개구가 형성되어 있지 않으므로, PCM의 상면에 외부 입출력 단자들을 형성할 때, 그것의 위치에 제약이 없으므로, PCM의 중앙부, 좌측부 및 우측부 등 필요에 따라 임의의 부위에 외부 입출력 단자들을 선택적으로 형성할 수 있다. 이러한 구조는 전지팩 설계시 보다 유연한 설계를 가능하게 한다.
본 발명은 또한, 전지셀에 장착되는 절연성 장착부재로서,
전지셀의 상단면 보다 가로방향으로 작은 크기를 가지며, 전지셀의 케이스 상단 돌출부('밀봉된 전해액 주입부')가 상부로부터 노출되는 개구가 형성되어 있 는 본체와, 상기 본체의 일부 부위에 인서트 사출방식으로 매립되어 있는 접속부재(B)로 이루어져 있고,
상기 접속부재(B)는 PCM 어셈블리의 단자 접속부에 대면하는 상면과, 전지셀 전극단자에 대면하는 하면 만이 노출되도록 절연성 장착부재에 매립되어 있으며, 접속부재(B)의 하면은 전지셀의 전극단자와 용접에 의해 전기적으로 연결되고, 상면은 PCM 어셈블리의 단자 접속부와 물리적 접촉 방식에 의해 전기적으로 연결되는 절연성 장착부재를 제공한다.
따라서, 접속부재(B)의 상면과 하면은 절연성 장착부재의 상부와 하부 방향으로 노출된 구조로 이루어져 있어서, 접속부재(B)의 하면을 전지셀의 전극단자에 용접에 의해 연결할 수 있고, 접속부재(B)의 상면은 PCM 어셈블리의 단자 접속부와 물리적 접촉 방식에 의해 전기적 연결될 수 있으므로, 전지팩의 제조공정을 단순화시킬 수 있다.
또한, 접속부재(B)가 절연성 장착부재에 매립된 구조로 형성되어 있어서, 접속부재(B)의 크기를 최소화할 수 있으므로, 전체적으로 전지팩의 동일 규격 대비 전지 용량을 증가시킬 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 분해 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 이차전지 팩(100)은, 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스 내부에 밀봉되어 있는 전지셀(110), 과충전 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어하는 PCM 어셈블리(120), 상부에 PCM 어셈블리(120)가 탑재되며 전지셀(110)의 상단면(114)에 장착되는 절연성 장착부재(130), PCM 어셈블리(120)가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(130)를 감싸면서 전지셀(110)의 상단부에 결합되는 절연성 상단 캡(140), 전지셀(110)의 하단부에 결합되는 절연성 하단 캡(150), 및 전지셀(110) 케이스의 외면을 감싸며 부착되는 외장 필름(160)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
전지셀(110)의 상단면(114)에는 전지케이스와 절연된 상태에서 상부로 돌출된 음극 단자(112)가 형성되어 있고, 음극 단자(112)를 제외한 부위는 양극 단자를 형성한다. 전지셀(110)의 상단면(114) 일측에는 금속볼 및 고분자 수지 등에 의해 밀봉된 전해액 주입부(116)가 평면상 원형 형상으로 돌출되어 있다.
절연성 장착부재(130)는 접착 방식으로 전지셀(110)의 상단면(114)에 탑재되어 결합되며, 접속부재(B)(132)가 그것의 상면과 하면이 노출된 상태로 절연성 장착부재(130)에 매립되어 있다. 또한, 밀봉된 전해액 주입부(116)가 상부로 노출될 수 있도록 절연성 장착부재(130)의 일측 부위에 개구(134)가 형성되어 있다.
PCM 어셈블리(120)는 보호회로모듈(PCM)의 하면에 접속부재(A)(123)가 결합되어 있는 구조로 이루어져 있고, 이러한 접속부재(A) (123)는 전지셀(110)에 대한 용접 부위가 PCM 어셈블리(120)의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장된 상태로 결합되어 있다.
절연성 상단 캡(140)은 PCM 어셈블리(120)가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(130)를 감싸면서 전지셀(110)의 상단부에 결합되며, 전지셀(110)의 상단부 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이로 하향 연장되어 있고, 상단면 일측에는 A/S 라벨(142)이 부착되어 있다.
전지케이스의 외면에는 외부와 전기적 절연상태를 확보하고 제품의 정보를 표시하는 외장 필름(160)이 부착되어 있다. 열수축성 소재로 이루어진 외장 필름(160)은 튜브 형태로 제조되어 전지셀(110)을 감싼 후 열을 가하여 전지셀(110) 케이스 표면에 수축되면서 밀착되는 구조로 부착된다.
도 2에는 PCM 어셈블리 하면에 접속부재(A)가 결합된 구조의 모식도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2에서 접속부재(A)의 수직 단면 모식도가 도시되어 있으며, 도 4에는 절연성 장착부재에 접속부재(B)가 매립된 구조의 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 도 1과 함께 참조하면, PCM 어셈블리(120)는 그 하면에 SMT 방식에 의해 접속부재(A)(123)가 결합되어 있고, 절연성 장착부재(130)의 체결구(137)가 삽입방식으로 결합되기 위한 관통홈(127)이 일측에 천공되어 있다.
전지셀(110)의 상단면(114)과 전기적으로 연결되는 접속부재(A)(123)는, 판상형의 PCM 결합부(126)와 판상형의 전지셀 결합부(124) 사이에, PTC 본체(125)가 개재되어 있는 구조로 이루어져 있다.
PTC 본체(125)는 온도에 따라 저항이 변화하는 고분자 복합체의 PTC 물질층(1254)과 그것의 상면과 하면에 각각 금속 호일(1252)이 결합되어 있는 구조로 이루어져 있다. 또한, 접속부재(A)(123)의 전지셀 결합부(124)는 PCM 어셈블리(120)의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출되어 있다.
절연성 장착부재(130)에는 접속부재(B)(132)가 PCM 어셈블리(120)의 단자 접속부(128)에 대면하는 상면과 전지셀 음극단자(112)에 대면하는 하면을 제외하고, 나머지 부위가 인서트 사출성형에 의해 매립되어 있고, 매립된 적어도 일부(1322)가 돌기 형태로 절연성 장착부재(130)의 상단면으로부터 세로방향으로 돌출된 형태로 상부에 노출되어 있다. 또한, PCM 어셈블리(120)의 관통홈(127)에 대응하는 위치에 체결구(137)가 소정의 높이를 가지고 상부로 돌출되어 있다.
따라서, 접속부재(A)(123)는 전지셀(110)의 양극단자인 상단면(114)에 용접 방식으로 연결된다. 또한, 접속부재(B)(132)는 그것의 하면이 전지셀(110)의 돌출형 음극단자(112)에 용접 방식에 의해 결합된 후, 상면은 PCM 어셈블리(120)의 단자 접속부(128)에 물리적으로 접촉되어 전기적으로 연결됨으로써, 전지셀(110)과 PCM 어셈블리(120)는 상호간 전기적 접속이 가능하게 된다. 상기 물리적 접촉 방식에 의한 접속은, 접속부재(A)(123)을 전지셀(110)에 용접하고 관통홈(127)에 체결구(137)를 삽입 체결하는 과정에서, PCM 어셈블리(120)가 절연성 장착부재(130)와 결합할 때, 자연적으로 달성되는 전기적 접속을 의미한다.
한편, 접속부재들(123, 132)은 도 2 및 도 4에서와 같이 절곡되지 않은 상태 그대로 전지셀(110)의 전극단자들(112, 114)에 연결되므로, 종래 방식에 비해 작은 크기의 접속부재도 사용 가능하며, 더욱이 조립 과정에서 절곡될 필요가 없으므로, 절곡을 위한 사공간(dead space)을 초래하지 않는다.
도 5에는 도 1에 따른 전지팩에서 전지셀에 절연성 장착부재를 장착한 상태의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 도 1과 함께 참조하면, 절연성 장착부재(130)는 전지셀(110)의 상단면(114)에 접착제를 사용하여 부착되어 있고, 전지셀(110)의 음극 단자(112)는 접속부재(B)(132)의 하면과 용접에 의해 상호 결합되어 있다. 또한, 전지셀(110)의 밀봉된 전해액 주입부(116)는 절연성 장착부재(130)의 개구(134)를 관통하여 절연성 장착부재(130)의 상부로 노출되어 있다.
절연성 장착부재(130)에서 폭 방향(W)의 양측 단부에는 PCM 어셈블리(120)를 상부로부터 안정적으로 장착하기 위한 수납용 측벽(138)이 소정의 높이로 상향 돌출되어 있다.
절연성 장착부재(130)의 길이(l)는 전지셀(110) 상단면의 길이(L)보다 가로방향으로 작은 크기를 가지도록 형성되어 있고, 이러한 구조에 의해 노출된 전지셀(110)의 상단면(114)의 일부 부위(L-l)는 접속부재(A)(123)와의 접속을 위한 양극 단자로 사용된다.
또한, 절연성 장착부재(130)에서 길이(l) 방향의 일측 단부에는 체결구(137)가 상향 돌출된 형태로 형성되어 있고, 그에 대응하여 PCM 어셈블리(120)에는 관통홈(127)이 형성되어 있어서, 절연성 장착부재(130)에 대한 PCM 어셈블리(120)의 정위치 장착과 결합력을 향상시킬 수 있다.
도 6에는 도 5에서 절연성 장착부재 상에 PCM 어셈블리가 탑재되어 있는 구조의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 도 2 및 도 4와 함께 참조하면, 절연성 장착부재(130)의 체결구(137)를 PCM 어셈블리(120)의 관통홈(127)에 삽입함과 동시에, PCM 어셈블리(120)의 단자 접속부(128)를 절연성 장착부재(130)의 접속부재(B)(132) 상면에 위치시켜 접촉시킨다.
다음으로, 접속부재(A)(123)의 전지셀 결합부(124)를 전지셀(110)의 상단면(114)에 위치시킨 후, 전지셀 결합부(124)와 전지셀(110)의 상단면(114)을 용접함으로써, 상호간 전기적 접속 및 기계적 연결 구조를 이룰 수 있다.
또한, PCM 어셈블리(120)의 상면 좌측부에는 외부 디바이스(도시하지 않음)와 전기적으로 연결하기 위한 외부 입출력 단자들(129)이 형성되어 있다. 이러한 외부 입출력 단자들(129)은 PCM 어셈블리(120)의 좌측부 뿐만 아니라 중앙부, 우측부 등 필요에 따라 선택적으로 임의의 부위에 형성될 수 있음은 물론이다.
도 7에는 도 6의 구조에 절연성 상단 캡(140)을 결합한 구조의 모식도가 도시되어 있는 바, 도 7을 참조하면, 절연성 상단 캡(140)은 그것의 적어도 일부가 전지셀(110) 상단부의 외측면을 감쌀 수 있도록 소정의 길이로 하향 연장된 구조로 형성되며, 전지셀(110)의 상단부 외측면에 접착 방식으로 결합되어 있다.
도 8에는 도 6의 정면 모식도가 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 절연성 장착부재(130)의 높이(H)는 종래의 이차전지 팩(도시하지 않음)과 비교하여 큰 폭으로 줄어 들었으므로, 감소한 높이에 대응하는 부 피만큼 전지셀(110)의 용량을 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이차전지 팩은, 접속부재(A)가 PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장되어 PCM의 하면에 결합되어 있고, 접속부재(B)가 그것의 상면과 하면이 노출된 상태로 절연성 장착부재에 매립되어 있는 특정한 구조로 이루어져 있으므로, 작업공정 수를 감소시키고, 보다 콤팩트한 전지팩을 제조할 수 있다. 또한, 이러한 구조는 전지팩에서 PCM 어셈블리 및 절연성 장착부재가 장착되는 상부 공간의 크기를 감소시켜, 동일 규격 대비 전지 용량을 증가시킬 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이차전지 팩의 분해 사시도이다;
도 2는 PCM 어셈블리 하면에 접속부재(A)가 결합된 구조의 모식도이다;
도 3은 도 2에서 접속부재(A)의 수직 단면 모식도이다;
도 4는 절연성 장착부재에 접속부재(B)가 매립된 구조의 모식도이다;
도 5는 도 1에 따른 전지팩에서 전지셀에 절연성 장착부재를 장착한 상태의 사시도이다;
도 6은 도 5에서 절연성 장착부재 상에 PCM 어셈블리가 탑재되어 있는 구조의 사시도이다;
도 7은 도 6의 구조에 절연성 상단 캡을 결합한 구조의 모식도이다;
도 8은 도 6의 정면 모식도이다.

Claims (18)

  1. 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 전지케이스의 내부에 밀봉되어 있고, 제 1 전극단자 및 제 2 전극단자가 전지케이스의 상단에 형성되어 있는 전지셀;
    보호회로모듈(PCM), 및 상기 PCM의 하면에 결합되어 있는 접속부재(A)로 이루어져 있고, 하기 절연성 장착부재와의 결합을 위한 관통홈이 일측에 천공되어 있는 PCM 어셈블리;
    PCM 어셈블리가 상부에 탑재되는 구조로 이루어져 있고, 상기 전지셀의 제 2 전극단자와 결합되는 접속부재(B)가 그것의 상면과 하면이 각각 노출된 상태로 매립되어 있으며, 상기 관통홈에 대응하는 위치에 체결구가 형성되어 있고, 전지셀의 상단면에 장착되는 절연성 장착부재; 및
    상기 PCM 어셈블리가 탑재된 상태에서 절연성 장착부재를 감싸면서 전지셀의 상단부에 결합되는 절연성 캡;
    을 포함하고 있으며,
    상기 접속부재(B)는 전지셀 상에 절연성 장착부재를 장착한 상태에서 전지셀의 제 2 전극단자와 용접 방식에 의해 결합되면서 전기적으로 연결되고,
    상기 접속부재(A)는 전지셀에 전기적으로 연결되는 부위가 PCM 어셈블리의 상측으로부터 노출될 수 있도록 PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장되어 있어서, 상기 관통홈에 체결구를 삽입하여 절연성 장착부재 상에 PCM 어셈블리를 탑재한 상태에서, PCM의 상측으로부터 전지셀의 제 1 전극단자에 결합되어 전기적으로 연결되며,
    상기 PCM 어셈블리에 대한 접속부재(B)의 전기적 연결은 물리적 접촉 방식으로 달성되는 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 제 1 전극단자는 양극단자이고 제 2 전극단자는 음극단자인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재(A)는 표면실장기술(SMT) 방식에 의해 PCM의 하면에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재(A)는, PTC 본체, 상기 PTC 본체의 상면에 결합되어 있는 PCM 결합부, 및 상기 PTC 본체의 하면에 결합되어 있는 전지셀 결합부를 포함하는 PTC 소자의 구조로 이루어져 있고, 그 중 전지셀 결합부가 PCM 어셈블리의 상측으로부터 노출될 수 있도록 PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 PTC 본체는 PTC 고분자 복합체로 이루어진 PTC 물질층의 상면과 하면에 각각 금속호일을 접합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 PCM 결합부와 전지셀 결합부는 각각 금속 플레이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재(B)는 PCM 어셈블리의 단자 접속부에 대면하는 상면과 전지셀 전극단자에 대면하는 하면을 제외한 나머지 부위가 절연성 장착부재에 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 접속부재(B)는 절연성 장착부재의 인서트 사출 성형시 매립되는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 접속부재(B)는, 절연성 장착부재에 고정될 수 있도록, 절연성 장착부재에 매립된 적어도 일부가 돌기 형태로 절연성 장착부재의 상단면으로부터 세로방향으로 돌출된 형태로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 접속부재(B)는 니켈 플레이트인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 장착부재는 접속부재(A)가 전지셀에 연결되는 부위를 확보할 수 있도록 전지셀의 상단면보다 가로방향으로 작은 크기를 가지며, 전지셀의 제 2 전극단자와 결합되는 접속부재(B)와, 상기 접속부재(B)로부터 소정의 이격거리에 전지셀의 케이스 상단 돌출부('밀봉된 전해액 주입부')가 상부로부터 노출되는 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 장착부재에 대한 PCM 어셈블리의 장착 상태를 확보할 수 있도록, 절연성 장착부재는 폭 방향의 양측 단부에 수납용 측벽이 상향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스 상단면에 대한 절연성 장착부재의 결합은 접착(Bonding) 방식에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전지케이스 외면에는 외장 필름이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전지셀은 각형의 리튬 이차전지 셀인 것을 특징으로 하는 이차전지 팩.
  17. 전지셀에 장착되는 PCM 어셈블리로서,
    보호회로모듈(PCM)과, 상기 PCM의 하면에 SMT 방식으로 결합되어 있는 접속부재(A), 및 상기 PCM의 상면에 형성되어 있는 외부 입출력 단자들을 포함하고 있으며,
    접속부재(A)는 전지셀에 대한 용접 부위가 PCM 어셈블리의 상측으로부터 노출될 수 있도록 PCM 어셈블리의 일측 단부로부터 가로방향으로 돌출 연장된 상태로 PCM에 결합되고,
    상기 접속부재(A)는, PTC 본체, 상기 PTC 본체의 상면에 결합되어 있는 PCM 결합부, 및 상기 PTC 본체의 하면에 결합되어 있는 전지셀 결합부를 포함하는 PTC 소자의 구조로 이루어져 있으며,
    상기 외부 입출력 단자들은 PCM의 중앙부, 좌측부 및 우측부로 이루어진 군에서 선택되는 임의의 부위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 PCM 어셈블리.
  18. 전지셀에 장착되는 절연성 장착부재로서,
    전지셀의 상단면 보다 가로방향으로 작은 크기를 가지며, 전지셀의 케이스 상단 돌출부('밀봉된 전해액 주입부')가 상부로부터 노출되는 개구가 형성되어 있는 본체와, 상기 본체의 일부 부위에 인서트 사출방식으로 매립되어 있는 접속부재(B)로 이루어져 있고,
    상기 접속부재(B)는 PCM 어셈블리의 단자 접속부에 대면하는 상면과, 전지셀 전극단자에 대면하는 하면 만이 노출되도록 절연성 장착부재에 매립되어 있으며, 접속부재(B)의 하면은 전지셀의 전극단자와 용접에 의해 전기적으로 연결되고, 상면은 PCM 어셈블리의 단자 접속부와 물리적 접촉 방식에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 절연성 장착부재.
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